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標題: 科學家研發出不可能的超導電路 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2022-5-20 04:58 PM 標題: 科學家研發出不可能的超導電路

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　　藉由將一種古典材料替換成具有獨特量子性質的材料﹐科學家們已製造出一超導電路﹐能夠達成長久以來被視為不可能的壯舉。這項由德國﹑荷蘭﹑以及美國的研究人員所帶來的發現﹐翻轉了一世紀以來﹐對於超導電路天性的看法﹐以及如何能夠調整它們的電流於實際應用上。
　　依據超導體物理而產生的低浪費﹑高速電路提供了很棒的機會﹐將超導科技帶到一個全新的等級。不幸的是﹐當使用普遍的電子元件﹐來設計超導體版本的電力時﹐讓這種豪不費力型式的電流如此方便的特性﹐也會造成無止盡的挑戰。比如說﹐拿很簡單的二極體為例子。這種很基本的電子元件就像給電流的單向標誌﹐提供一種方法來調節﹑轉換﹑並調整電子的運動。
　　在超導材料中﹐那些電子們各自的身份模糊了﹐形成了稱作庫柏對(Cooper pair)的組合﹐讓合作關係中的每顆粒子都能夠避開更典型電流的耗能碰撞。但是在沒有通常的電阻法則作用下﹐科學家無法讓超導電子在單一方向上運動﹐因為它們總是會展現出所謂的「互易」(reciprocal)行為。
　　這個基本的假設﹐也就是超導不能違反互易性(reciprocity)(至少在沒有操控磁場下是不行的)﹐從開始研究超導領域起﹐就一直持續下去著。坦白地說﹐這是一項工程師們無法跨過的阻礙。研究人員解釋他們的新研究﹕「在70年代﹐在IBM的科學家嘗試著超導電腦的想法﹐但必須停止嘗試。在他們關於這個主題的研究中﹐IBM提到﹐在沒有非互易超導性下﹐在超導體上運行電腦是不可能的。」。
　　隨著一項實驗的出現﹐這些先前的努力現在可能可以再度重試。這項實驗顯示出﹐一種具有量子成分的接面(junction)甚至能夠導引庫伯對沿同一方向運動。約瑟夫森接面(Josephson junction)是將一對超導體材料分開的細條非超導材料。如果這個材料夠細的話﹐電子就能夠直接穿過它們而無任何阻礙。
　　在特定的細度之下﹐這個「超電流」是沒有電壓的。在臨界點下﹐電壓出現﹐快速地以波的方式震盪﹐可以被應用於例如量子電腦之中。過去﹐透過外部的磁場﹐是可能確保此電流只會在一個方向上流動的。但是研究團隊發現﹐若是他們使用金屬鈮(niobium)的二維結構﹐他們就可以擺脫磁場﹐並僅依靠該材料的量子性質。
　　主要研究者﹐荷蘭台夫特理工大學(Delft University of Technology)的物理學家馬扎爾·阿里副教授(Mazhar Ali)說﹕「我們能夠剝掉此Nb3Br8的一些原子層﹐然後製造出非常非常薄的三明治結構﹐大約只有幾層原子層的厚度。這是產生約瑟夫森二極體所需的﹐而若使用正常的三維材料﹐這是不可能做到的。」。
　　研究人員很有信心﹐他們已經具備所有的條件﹐來為他們的發現提供一個堅實的例子。但是﹐在我們可以在下一代電腦的核心中看到半導體前﹐仍然有很長的一條路要走。其中一個﹐就是超導現象通常只出現在溫度冷卻到稍微高於絕對零度的材料中。有些超導材料雖然可以忍受溫暖的溫度﹐但是這只有在它們被置於超高壓下才會發生。
　　知道由這些新量子屏障所產生的約瑟夫森接面﹐是如何在高溫及高壓下運作﹐這最終可能會顛覆以往﹐減少非常有效率的超級電腦中所需要的儀器數量﹐而這在我們這個世界上還未看到。阿里副教授說﹕「這會影響所有類型的社會與科技應用。如果20世紀是半導體的世紀的話﹐21世紀可能會成為超導體的世紀。

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