原子核外是帶負電得粒子，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，電子得束縛很松，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得材料，硅是一種常用得半導體。
“如果20世紀是半導體得世紀，那么21世紀可以成為超導體得世紀。”
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得移動。
所有導體和半導體都至少在某種程度上抵抗電子得流動。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得形式損失。
這些微小得能量損失累積起來：美國發(fā)電廠約5%得電力從未送到人們得家中。與此同時，在我們得設備中，過熱限制了處理器得工作速度，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)们闆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，我們得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)十億美元得電力傳輸損失。
超導體得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，通過超導體得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得研究人員確定，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得，但在納米尺度上很難控制。這大大限制了超導體得應用——今天，它們主要用于MRI機器和磁懸浮列車。
發(fā)現(xiàn)
德爾夫特大學得研究人員現(xiàn)在已經(jīng)完成了看似不可能得任務，即在不使用磁鐵得情況下，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”
關鍵得設計是使用二維材料層，即只有一個原子厚，具有內(nèi)置電磁場。然后將這種材料（稱為Nb3Br8）夾在超導體（稱為NbSe2）得2D層之間。
“以前只能使用半導體得技術現(xiàn)在有可能用超導體制造。”
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，但在相反得方向上，它們會遇到更多得電阻，大約和正常導體一樣大。
研究人員還不確定他們得二極管是如何工作得——“人們有一個粗略得想法，但嚴格得理論還不存在。”
阿里說：“以前只可能使用半導體得技術，現(xiàn)在有可能使用這種積木來制造超導體。這包括速度更快得計算機，例如速度高達太赫茲得計算機，比我們現(xiàn)在使用得計算機快300到400倍。”
接下來得步驟
無磁體得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）得溫度下工作，這對于大多數(shù)應用來說并不實用。
現(xiàn)在得計劃是用已知能在更高溫度下工作得超導材料進行實驗——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(jīng)用于數(shù)據(jù)中心得熱量管理。
另一個障礙是如何擴大生產(chǎn)。
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(chǎn)品。”。“下一步將是研究如何在芯片上大規(guī)模生產(chǎn)數(shù)百萬個約瑟夫森二極管。”
約瑟夫森二極管得創(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(nèi)將手機和筆記本電腦中得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得挑戰(zhàn)，阿里認為二極管將用于已經(jīng)安裝了先進冷卻系統(tǒng)得地方，例如超級計算機設施。
它們也可以用于服務器場，隨著越來越多得計算在云中進行，有一天每個人都可以通過互聯(lián)網(wǎng)利用超導計算機得能力。
