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北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王健團(tuán)隊與合作者展開研究，成功制備出銅氧化物高溫超導(dǎo)體薄片器件，并在其中觀測到零磁場下工作溫度可達(dá)72開爾文（熱力學(xué)溫度，即零下201.15攝氏度，液氮溫區(qū)附近）的高溫超導(dǎo)二極管效應(yīng)。與以往研究相比，王健團(tuán)隊制備的超導(dǎo)二極管不僅結(jié)構(gòu)簡單，工作溫度也有大幅提升，未來有望應(yīng)用于低能耗的集成電路中。相關(guān)研究成果日前以《銅氧化物高溫超導(dǎo)體中的高溫零磁場超導(dǎo)二極管效應(yīng)》為題發(fā)表于《自然 通訊》。

“半導(dǎo)體二極管是現(xiàn)代電子電路的基礎(chǔ)元件，其典型特點(diǎn)是單向?qū)щ娦裕弘娏餮匾粋€方向通過時電阻較小，而沿相反方向通過時電阻變得極大，就像單行道，只允許汽車往一個方向行駛而不能逆行?！蓖踅「嬖V記者，這種特性使得半導(dǎo)體二極管能將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，即整流效應(yīng)，從而使半導(dǎo)體二極管廣泛用于具備電流開關(guān)、電路穩(wěn)壓與交變電流轉(zhuǎn)換等功能的集成電路中。

“例如，我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、電腦以及各種充電器等大部分電子設(shè)備，都會集成大量二極管。然而，因為有電阻，半導(dǎo)體二極管在使用時會不可避免地發(fā)熱，集成度越高的電路發(fā)熱越明顯，這是造成電子設(shè)備在使用時會發(fā)燙的主要因素之一。持續(xù)發(fā)熱會導(dǎo)致電子元件的性能下降甚至失效，這不僅是對電能的極大消耗，也限制了二極管在電路中的進(jìn)一步集成?！眻F(tuán)隊成員齊世超介紹，而超導(dǎo)體具有零電阻特性，在使用時不會發(fā)熱，能夠?qū)崿F(xiàn)零損耗的電信號傳輸。“因此，如能在超導(dǎo)體中實現(xiàn)整流效應(yīng)，就有望構(gòu)建出同時具備邏輯運(yùn)算能力與低功耗性能的電路元件，也就是超導(dǎo)二極管。”

王健團(tuán)隊經(jīng)過多年探索，成功制備出了銅氧化物高溫超導(dǎo)的微納器件，并且觀測到零磁場下最高工作溫度可達(dá)零下201.15攝氏度的超導(dǎo)二極管效應(yīng)，這相較于常規(guī)超導(dǎo)二極管有大幅提升，并可通過較為廉價的液氮制冷實現(xiàn)?！拔覀冇^測到的超導(dǎo)二極管效應(yīng)效率最大值約為22%，并且能在超過200個周期的電流下表現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定的整流效應(yīng)。除此以外，這種二極管構(gòu)型簡單，無需外加磁場誘導(dǎo)就能產(chǎn)生，更有利于進(jìn)一步集成到電子電路中。”王健說。

團(tuán)隊成員葛軍表示，高溫零磁場超導(dǎo)二極管作為一種基礎(chǔ)電路元件，在未來有望應(yīng)用于集成電路。相較于傳統(tǒng)二極管，超導(dǎo)二極管的能耗極低，可減少電子電路使用能耗，并進(jìn)一步增大電路集成度，進(jìn)而提升芯片等產(chǎn)品的性能和運(yùn)算能力。（記者晉浩天）