原子核外是帶負電的粒子，稱為電子，可以從一個原子流到另一個原子，這種運動就是電。

在某些材料中，電子與原子核緊密結合，不容易流動——這些材料是絕緣體。在其他原子中，如銅和銀，電子的束縛很松，可以很容易地從一個原子移動到另一個原子——這些都是導體。

半導體是介于導體和絕緣體之間的材料，硅是一種常用的半導體。

“如果20世紀是半導體的世紀，那么21世紀可以成為超導體的世紀?！?/p>

我們依靠導體和半導體來傳輸電能，例如，我們用銅線將電從發(fā)電廠送到家中，用硅芯片控制其在電子設備中的移動。

所有導體和半導體都至少在某種程度上抵抗電子的流動。這意味著，每次電子從一個原子移動到另一個原子時，都會有一點能量以熱量的形式損失。

這些微小的能量損失累積起來：美國發(fā)電廠約5%的電力從未送到人們的家中。與此同時，在我們的設備中，過熱限制了處理器的工作速度，并可能導致程序崩潰。

超導體

1911年，一位荷蘭物理學家發(fā)現(xiàn)，在適當?shù)那闆r下，一些材料在電子從一個原子移動到另一個原子時不會失去任何能量。這些被稱為超導體，其中一個例子是鋁冷卻到-271攝氏度（-457華氏度）。

如果我們可以用超導體代替導體或半導體，我們的電子設備速度可以提高數(shù)百倍，而不會因過熱而浪費能源，我們每年可以節(jié)省數(shù)十億美元的電力傳輸損失。

超導體的電子從一個原子移動到另一個原子時不會損失任何能量。

然而，一個主要問題是，通過超導體的電流在兩個方向上都沒有阻力。

對于大多數(shù)應用來說，我們需要能夠將電流沿一個方向從a點移動到B點。例如，在20世紀70年代，IBM的研究人員確定，除非有人發(fā)現(xiàn)了單向超導性，否則我們永遠無法在計算機中使用超導體。

利用磁場引導電流通過超導體是可能的，但在納米尺度上很難控制。這大大限制了超導體的應用——今天，它們主要用于MRI機器和磁懸浮列車。

發(fā)現(xiàn)

德爾夫特大學的研究人員現(xiàn)在已經完成了看似不可能的任務，即在不使用磁鐵的情況下，讓電流沿一個方向流過超導體。他們稱之為“約瑟夫森二極管”

關鍵的設計是使用二維材料層，即只有一個原子厚，具有內置電磁場。然后將這種材料（稱為Nb3Br8）夾在超導體（稱為NbSe2）的2D層之間。

“以前只能使用半導體的技術現(xiàn)在有可能用超導體制造?！?/p>

當電流施加到這個三明治上時，電子在一個方向上流動時不會遇到電阻，但在相反的方向上，它們會遇到更多的電阻，大約和正常導體一樣大。

研究人員還不確定他們的二極管是如何工作的——“人們有一個粗略的想法，但嚴格的理論還不存在?！?/p>

阿里說：“以前只可能使用半導體的技術，現(xiàn)在有可能使用這種積木來制造超導體。這包括速度更快的計算機，例如速度高達太赫茲的計算機，比我們現(xiàn)在使用的計算機快300到400倍?！?/p>

接下來的步驟

無磁體的單向超導體是一項重大突破，但在其發(fā)現(xiàn)能夠在實驗室外發(fā)揮作用之前，圖代爾夫特團隊仍有許多障礙需要克服。

一個是溫度——約瑟夫森二極管目前必須在-271 C（-455.8 F）的溫度下工作，這對于大多數(shù)應用來說并不實用。

現(xiàn)在的計劃是用已知能在更高溫度下工作的超導材料進行實驗——如果二極管能在-196 C（-321 F）或更高溫度下工作，冷卻可以通過液氮來處理，液氮已經用于數(shù)據(jù)中心的熱量管理。

另一個障礙是如何擴大生產。

阿里說：“雖然我們在納米設備上證明了這一點很好，但我們只制造了少數(shù)產品?！薄！跋乱徊綄⑹茄芯咳绾卧谛酒洗笠?guī)模生產數(shù)百萬個約瑟夫森二極管?！?/p>

約瑟夫森二極管的創(chuàng)造者（從左到右）：王耀佳、阿里和吳恒。信用：TU Delft

我們無法在短期內將手機和筆記本電腦中的芯片溫度保持在零下數(shù)百度。但是，如果圖代爾夫特團隊能夠克服這些剩余的挑戰(zhàn)，阿里認為二極管將用于已經安裝了先進冷卻系統(tǒng)的地方，例如超級計算機設施。

它們也可以用于服務器場，隨著越來越多的計算在云中進行，有一天每個人都可以通過互聯(lián)網(wǎng)利用超導計算機的能力。