这种单向超导体可能是迈向永恒电力的一步

想象一下，如果你的电脑可以使用永不停歇的电流运行而不会过热。这不是魔术：这是一种名为超导性的真实现象的潜在未来，如今，超导性支撑着从尖端磁学研究到 MRI 等一切研究。

现在，科学家们发现，他们可以制造出一种与以往不同的超导体。这种超导体只允许电流朝一个方向流动：就像一列火车朝下坡行驶一样，它在一个方向上自由滑动，但在另一个方向上却面临着令人生畏的上坡。这听起来很神秘，但这种能力对于制造电子电路（比如为你的电脑供电的电路）至关重要。如果这些科学家的研究结果成立，那么它可能会将这个未来更进一步。

“现在有太多有趣的可能性，”荷兰代尔夫特理工大学物理学家、4 月 27 日在《自然》杂志上发表其研究成果的作者之一马扎尔·阿里 (Mazhar Ali) 说。

超导性与物理学的运行原理背道而驰。通常情况下，当电流沿着导线流动时，导线内部的电子会遇到很大的阻力，与导线中的原子发生摩擦。电能会流失，通常以热量的形式流失。这在很大程度上解释了为什么你的电子设备摸起来很烫。这也极大地降低了效率。

但是如果你对导电材料进行深度冷却，就会达到科学家所说的临界温度。准确的临界温度取决于物质，但通常处于低温范围，略高于绝对零度，这是物理学允许的最低温度。在临界点，材料的电阻会急剧下降到功能上为零。现在，你已经创造了一个超导体。

无电阻电是什么样的？这意味着电流理论上可以永久地流过电线而不会消散。这是物理学上的一项惊人成就，因为永动机在物理学中是不可能实现的。

自从 1911 年荷兰的一名学生偶然发现量子物理学的这一神奇现象以来，我们就已经知道了它的存在。如今，科学家利用超导性来观察极小的磁场，例如老鼠大脑内的磁场。通过将超导导线缠绕在磁铁上，工程师可以制造出低能量、高功率的电磁铁，为医院的 MRI 机器和下一代日本子弹头列车等各种设备提供动力。

当阿里和他的同事开始他们的工作时，他们可能并没有考虑过子弹头列车。“我的团队在进行这项研究时，实际上并不是以实现单向超导为目标的，”阿里说。

几年前，阿里的团队开始研究一种名字富有表现力的金属 Nb3Br8 的特性，这种金属由铌（一种常用于某些类型的钢和专用磁铁的金属）和溴（一种类似于氯或碘的卤素，常见于阻燃剂中）原子组成。

随着研究小组制作的 Nb3Br8 薄片越来越薄，他们发现它的导电性实际上变得越来越强。这很不寻常。为了进一步研究，他们采用了一种经过试验的技术：制作三明治。两片已知的超导体是面包，Nb3Br8 是馅料。研究人员可以从 Nb3Br8 对三明治的影响中了解更多有关 Nb3Br8 的信息。当他们观察时，发现他们制作了一种单向超导体。

Ali 团队发明的器件与二极管非常相似：一种只能单向导电的元件。二极管在现代电子产品中随处可见，是支撑计算机运行逻辑的关键。

然而，阿里和他的同事并不完全了解这种效应在他们创造的物体中是如何起作用的。事实证明，它还“违背了我们目前对单向超导如何发生的理解”，阿里说。“还需要做大量的基础研究”来揭示隐藏的新物理学。

这并不是物理学家第一次建造单向超导道路，但之前的建造通常需要磁场。这在操纵超导体时很常见，但它使工程师的工作变得更加复杂。

“施加磁场很麻烦，”芝加哥郊区阿贡国家实验室的物理学家 Anand Bhattacharya 说道，他不是这篇论文的作者之一。例如，如果工程师想要操纵超导体内的不同部分，磁场就是一个巨大的挑战。“你真的不能将磁场非常局部地施加到一个小家伙身上。”

对于那些梦想用超导体制造电子产品的人来说，能够单向传输电流是一种强大的灵感。“你可以想象在低温下非常酷的设备应用，”巴塔查里亚说。

一些科学家认为，这类设备有一些明显的宿主：量子计算机，它利用原子等粒子来制造能够完成传统计算机无法完成的任务的设备。问题是，微量的热量就可能使量子计算机无法正常工作，因此工程师必须将它们置于低温冰箱中，使它们的温度保持在绝对零度以上。问题又加剧了：普通电子设备在这种温度下无法很好地工作。另一方面，超冷超导二极管可能会蓬勃发展。

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传统计算机也能从中受益：最有可能的不是你的个人电脑或笔记本电脑，而是工业超级计算机等更庞大的庞然大物。其他受益者可能是遍布全球数据中心的巨型服务器机架。它们占全球能源消耗的 1%，相当于整个中型国家的能源消耗。将超导体引入数据服务器可以使它们的能源效率提高数千倍。

要实现这一目标还有一段路要走。下一步是找到如何同时生产多个超导二极管的方法。另一个是找到如何让它们在-321°F（液氮的沸点）以上工作：这个温度听起来非常低，但比液氢提供的更低温度更容易实现，而目前的设备可能需要液氢提供的更低温度。

尽管面临这些挑战，阿里对他的研究团队的未来充满信心。“我们对攻克这两个领域都有非常具体的想法，希望在未来几年看到更多突破性成果，”他说。