“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
