“芯片发烫”问题有望终极解决，超导计算机找到了新方法，58年前预言被证实

“0、1、0、1、0、1……”这种“一开一关”的二进制算法，在芯片上集成的半导体二极管之间高速运行，成就了半导体计算机的整整一个纪元。那么，如果基于超导二极管的芯片，形成超导计算机，那就可能是另一个新纪元。

因为零电阻的超级导体，让“芯片发烫”问题有望被终极解决。小到手机、平板、笔记本电脑的散热，大到数据中心、超算中心的热能消耗，都可能迎刃而解。

而这样的超导材料能否实现“单向导电”，不断变化“010101”，正是核心关键所在。入选2022年度“中国科学十大进展”的“实验证实超导态‘分段费米面’”成果，12日在上海交通大学发布，为超导计算机找到了新方法。

就像一瓶半满的水能看到水面一样，一个半满的“能量带”——即能带（Energy band）也能观测到“电子面”，物理术语叫“费米面”。一种固体材料有没有费米面，决定它很多物理性质，包括是否导电等。

百年来研究表明，神奇的超导体虽然可以零电阻、不发热地导电，但竟然没有费米面。1965年，德国物理学家Peter Fulde理论预言，有可能在原本没有费米面的超导体中产生出一种特殊的“分段费米面”。事实上，实现 “分段费米面”在实验上十分困难，尽管一直有人尝试，但未能取得突破。

为什么不能结合两种不同性质材料的各自优势，人工创造特殊材料呢？上海交大贾金锋院士、郑浩教授团队，与麻省理工学院傅亮团队合作，设计制备了拓扑绝缘体/超导体（Bi2Te3/NbSe2）的异质结新体系，借助超导的“近邻效应”，在碲化铋（Bi2Te3）中诱导出超导，实现并观察到了58年之前科学预言中的“分段费米面”。

团队表示，拥有“分段费米面”的这种超导体，可以产生正向零电阻导电、反向非零电阻导电的独特现象，即“约瑟夫森二极管效应”。既能单向导电，又能零电阻导电，如此一举两得，便可用来构建超导计算机，实现无能耗的高效计算。可以想见，如今需要空气冷却、水冷甚至在西部等寒凉地带部署的大型计算机集群，就不必为此“热昏”。

中科院院士、上海交大物理与天文学院教授、李政道研究所拓扑量子计算实验平台负责人贾金锋表示，该项成果是上海交大物理与天文学院团队多年工作积累和延续，2012年团队制备出了拓扑绝缘体/超导体的异质结，证明了该体系为拓扑超导，并在其中观察到了人们长期追求事关拓扑量子计算的“马约拉纳零能模”。十年如一日，“这次成果也是在该体系中发现的新现象，是对该体系持续不断研究的最佳回报。”

“通过这一方法和路径，研发超导二极管，或需5到10年。”物理与天文学院教授、李政道研究所平台建设学者郑浩透露，未来将会以具有“分段费米面”的超导体为平台，探索构筑新型拓扑超导态、实现超导二极管效应等重要物理效应的可能性。另外，还可以为有限动量超导、“库伯对”密度波等很多具有重要物理学理论研究价值的课题，提供关键的研究载体。

题图来源：新华社

题图说明： 中国合肥，2020年12月4日，最快！我国量子计算机实现算力全球领先 内图来源：受访高校、徐瑞哲 摄

来源：作者：徐瑞哲

解决芯片发热问题的新方法

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自「IEEE」，谢谢。

众所周知，将晶体管紧密地封装在一起会引起设备过热的问题。但现在，科学家们已经开发出一种人造材料，它是有史以来最好的一种材料，可以在一个方向上传导热量，同时在其他方向上保持热量与周围环境隔绝。这项研究有朝一日可能会帮助微芯片在不因过热而中断的情况下变得更强大。随着电子产品的不断小型化，在给定的空间中会产生更多的热量，这使得热控制成为电子设计中的一个关键挑战。“如果你的电脑或笔记本电脑过热，这可能是一个安全问题，”该研究的主要作者，芝加哥大学的分子工程师Shi En Kim说。热管理的最新进展包括所谓的各向异性热导体。在这些材料中，热量在一个方向上比其他方向流动得更快。许多天然晶体结构是强各向异性的热导体——例如，对于石墨，热量沿其快轴传导的速度比慢轴快约 340 倍。然而，这些天然材料通常难以用于大规模制造技术，并且可能缺乏设备所需的各种电学或光学特性。相比之下，大多数人工结构材料都是不良的各向异性热导体，在室温下通常具有小于 20 的快慢热流比。现在，科学家们创造了一种人造材料，其在室温下的快慢热流比高达约 880，这是有史以来最高的热流比之一。他们在 9 月 30 日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。该技术的秘诀在于使用由原子级薄层堆叠膜组成的材料——二硫化钼。在这种情况下，这些层通过称为范德华相互作用的弱电力保持在一起，这种力通常会使胶带发粘。其他分层范德华材料包括石墨和所谓的过渡金属二硫属化物。二硫化钼在两个维度上有效地堆叠漏斗热量，但不是第三个维度。绝缘效应背后的关键是相邻薄膜的晶格如何相对于彼此旋转。（想象一堆棋盘，每块棋盘都旋转，这样它的方格就不会与相邻的方格对齐。）在这些堆栈中，热的主要载体是声子（phonons），即由晶体晶格结构中的振动组成的准粒子。当相邻的硫化钼薄膜堆叠起来使其晶格对齐时，声子很容易向各个方向流动，尽管在层内效率更高。然而，当这些晶格相对于彼此旋转时，声子只能在层内有效地流动。当科学家使用这些叠层涂覆仅 15 纳米高和 100 纳米宽的金电极时，他们发现电极可以承载更多电流而不会过热并阻止热量到达设备表面。“我们相信我们的材料可用于电子产品的热管理，”Kim 说。Kim 指出，他们之所以选择用二硫化钼进行试验，是因为他们之前开发了生长这种材料的大薄膜的方法。原则上，由其他原子级薄材料（例如石墨烯）制成的堆栈可以表现得同样或更好。她指出，未来的研究还可以调查由两种或多种不同材料堆叠而成的所谓异质结构的性能。Kim 警告说，对于他们的实验，“我们的薄膜是手工堆叠的，这不是一种非常可扩展的制造非常厚薄膜的方法。最终这些材料可能会有实际应用，但需要解决一些问题以使其生产可扩展。”

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