一、二极管与半导体

最近有科学报道称，实现了世界上首个有希望的高温差的二极管。那么究竟什么是二极管？为什么要用高温超导体来做二极管？它的出现为我们世界带来了什么样的变化呢？今天我们一起来聊一聊高温超导二极管的故事。

说到二极管，大家心目中最先想到的就是半导体。的确现在计算机的核心就是它的半导体芯片。芯片的关键在于大规模的集成电路，集成电路里面最小的那个单元，它就叫做二极管。因为二极管它是电子公路的一个单行道。我们通过控制二极管的通或者不通，就能定义二进制里面的一和0。这是一切逻辑运算的基石。

半导体二极管为什么能够实现电子的单行道呢？因为它是有两种不同的半导体组合而成。一种它是带正电的空穴周围在流出的半导体，我们把它它叫做P型的半导体。另外一种是以带负电的电子作为载流子的半导体，我们把它叫做N型半导体。它们一起构成了这个结构，就叫做半导体的PN结。

我们给这个PN节加上一个正向的电压，那么空穴载流子和电子载流子它会同时的向节气移动，这意味着节气就越来越小，就实现了打通。如果加反向的电压的时候，你会发现空气载流子和电子载流子朝相反的方向移动，这样的结局就会越来越大，那么电流就不打通了。所以二极管最大的特点就是它只允许载流子单向的导通。它就像一个小小的开关一样，一旦电压反向开关它就自动断开。

当然集中电路里面的二极管已经没有办法用肉眼直接看清楚。如果你家里还有半导体收音机，你可以打开看到里面的电路板，上面可能还插着这个二极管。只是半导体二极管，虽然是很方便，但它毕竟是半导体，那么有很大的电阻。所以即使在导通的过程中，它也要面临发热等能量耗散的问题。那么这个时候，你可能就要关心你电脑的CPU温度，是不是温度太高了你电脑就变慢了，是不是？

二、超导计算机与超导二极管

那有没有办法尽可能的降低计算机的能耗问题呢？其中一个可能的答案就是用超导体来做计算机。注意，这里说的超导计算机不是大家常说的超导量子计算机，而是和半导体计算机类似的，基于数字逻辑电路的一个超导的计算机。那么以超导计算机、超导集成电路等为目标的技术，我们把它叫做超导电子学，其中它的基石就是超导二极管。

超导体，它是在特定的温度下，它的电阻会降为零，这个低温既是它的应用的劣势，可能也是它的优势。因为你在足够低的温度下，能量耗散就会大幅度降低，这个电子的器件稳定性会大幅的提升，而且零电阻就意味着不发热，是不是就可以完美把电脑这个CPU探索的问题就解决了，对不对？这个超导体电阻为零，你把梁上你拼在一块儿，那不就短路了吗？电流都畅通无阻了，还谈什么二极管，对吧？别急，科学家们还是有办法的。

为了说清楚超导二极管的原理，我们先来讲一个超导体的特殊效应，约瑟夫森效应。约瑟夫森是一位英国的科学家，在他二十几岁还在读研究生的时候，他就提出了超导体的隧道效应。你把两个超导体拼在一起，中间隔一个很薄的绝缘层或者金属加深，在不加电压的情况下，你就会发现这个结构，它存在的隧道电流电子从一块槽体跑到另外一个槽体里面去了。如果你加上电压，你会发现隧道电流甚至还存在一个这种强度的调制，类似于这个光的弗兰克费干涉一样。也就电流大小，它随着电压的震荡起来了，而且这个震荡对外磁场的响应是非常的敏感。

确切来说，超导隧道效应是超导体内部库柏电子对相位干涉造成的结果。承载烧导体的电流，它就是一对对的电子，我们把它叫库柏顿。对于同一块超导体来讲，它所有的库柏对的相位它都是一样的，它们以相同的节奏在运动。但是它一旦碎伤到了另外一个超导体，就会用到另外一群相位不一样的库珀队。那么两者之间就发生了群殴的效应，在相位干涉下就形成了强弱变化的隧道电流。那么早在2007年，科学家就从理论上提出了利用约束馥生效应来构造超导二极管的方案。

三、超导二极管的分类与实现难题

超导体也同样具有空穴型和电子型两类，你把它们拼在一起，也能构成类似于偏咸竭的这种结构。当电流正常传导的时候，它是表现出没有损耗的超导电流，也就是说没有电阻。当电流反向传导的时候，它就表现出有耗散的普通电流，也就是说存在电阻。

那么超导二极管还可以细分成两类，一类是需要依赖电压的历史和电荷的积累才能实现的，另一类是需要依赖加磁场才能实现的那不同类型的钞票二极管有很多种可能的实现方案，但是超导二极管说起来容易，做起来很难。一直到2020年的时候，日本京都大学的科学家才在超晶格的超导体通过在外磁场来首次实现了超导二极管的效应。那么在2022年的时候，荷兰戴尔福特理工大学的科学家们首次实现了没有外场的椰子辐射2极管效应。但是因为他们用的是传统超导体，临界温度实在是太低了。超导二极管的工作温度也非常的低，大约只有0.02K，就是零下273.13摄氏度左右。那必须采用昂贵的汽车制冷机才能用大规模的应用？很难实现。

四、高温超导二极管的突破与未来展望

2023年美国哈佛大学和中国清华大学的研究人员采用了相同的实验方案，把两个具有单层结构单元的同样航母高温超电它拼在一起，而且互相撞到了45度的一个角度，他们成功观测到了二极管效应。那么这里采用的高温烧烤材料，它这个临界温度就是在80K左右，也就是零下193.13摄氏度。最大的隧道电流出现在30K也就是零下243点以上摄氏度左右。那么在极大的提升了超导二极管的使用温度，超导二极管的应用也展露了新的希望。

基于超导二极管等元器件的超导集成电路，其加工工艺和半导体电路几乎是兼容的，一旦可以实用化，可以极快地推动产业革命。相比半导体集成电路，超导集成电路的运行功率从G赫兹提升到了百G赫兹，运行功耗它从10的负14次方瓦降低到了10的负19次方瓦。未来超导数字计算机如果实现，将搭建出不同意超导量子计算机的另外一条高性能低能耗的超级计算之路。