想象一下，如果你的电脑能够依靠永远流动而不产生过热的电流运行，那会怎样？这不是魔法：这是一种名为超导性的真实现象的潜在未来，该现象如今支撑着从尖端磁性研究到核磁共振成像 (MRI) 的一切。
现在，科学家们发现他们可以制造出一种与以往任何超导体都不同的超导体。它只允许电流朝一个方向流动：就像一列火车向下坡行驶，它在一个方向上自由滑动，但在另一个方向上则面临着艰巨的上坡。听起来很神秘，但这种能力对于制造驱动你电脑的电子电路至关重要。如果这些科学家的研究结果得以证实，它将使那个未来更近一步。
“现在有很多有趣的可能性，”荷兰代尔夫特理工大学的物理学家 Mazhar Ali 说，他是 4 月 27 日在《自然》杂志上发表了他们研究成果的作者之一。
超导性违背了物理学本应工作的原理。通常，当电流沿着导线流动时，其中的电子会遇到强烈的阻力，与构成导线的原子发生碰撞。电能会损失掉，通常以热量的形式。这是你的电子设备摸起来会发热的一个主要原因。这也是效率的大幅流失。
但是，如果你将导电材料深度冷却，你就会达到一个科学家称之为临界温度的点。确切的临界温度取决于物质，但通常在低温范围内，略高于绝对零度（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实际上为零。现在，你就制造了一个超导体。
无阻碍的电流看起来是什么样的？这意味着电流可以理论上永恒地通过导线流动，而不会消散。这在物理学上是一个惊人的成就，因为永动机不应该是可能的。
“它违背了我们目前对单向超导性如何发生的理解。”
Mazhar Ali
自从 1911 年荷兰一位学生偶然发现了这种听起来神奇的量子物理学怪象以来，我们就已经知道了它。如今，科学家们利用超导性来观察极其微弱的磁场，例如小鼠大脑内部的磁场。通过将超导线圈绕在磁铁周围，工程师们可以制造出低能耗、高功率的电磁体，为从医院的MRI 机到下一代日本新干线列车提供动力。
阿里和他的同事们在着手这项工作时，可能并没有考虑过新干线列车。“我的团队并没有以实现单向超导性为目标进行这项研究，”阿里说。
几年前，阿里团队开始研究一种名为 Nb3Br8 的金属的性质，这种金属由铌（一种常用于某些类型钢和特种磁铁的金属）和溴（一种卤素，与氯或碘相似，常用于阻燃剂）原子构成。
随着研究团队制造出越来越薄的 Nb3Br8 薄片，他们发现它的导电性实际上越来越强。这很不寻常。为了进一步研究，他们采用了一种经过验证的技术：制作三明治。两片已知的超导体作为面包，Nb3Br8 作为夹心。研究人员可以通过 Nb3Br8 对三明治的影响来了解更多关于它的信息。当他们观察时，他们发现他们制造了一个单向超导体。
阿里团队创造的东西非常类似于二极管：一种只允许电流单向导通的元件。二极管在现代电子产品中无处不在，对于支持计算机运行的逻辑至关重要。
然而，阿里和他的同事们并不完全清楚这种效应在他们创造的物体中是如何起作用的。阿里说，事实证明，这“违背了我们目前对单向超导性如何发生的理解”。“还需要进行大量的基本研究”来揭示隐藏的新物理学。
这并不是物理学家第一次构建单向超导通路，但以前的构建通常需要磁场。这在操纵超导体时很常见，但它让工程师的生活更加复杂。
“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，他不是该论文的作者之一。例如，如果工程师想操纵超导体内的不同部分，磁场会构成严峻的挑战。“你无法真正将磁场非常局部地施加到其中一个微小部分上。”
对于那些梦想用超导体构建电子设备的人来说，能够单向传输电流是一个强大的灵感。“你可以想象在低温下非常酷的设备应用，”Bhattacharya 说。
一些科学家认为，这类设备有一些显而易见的宿主：量子计算机，它们利用原子等粒子来制造传统计算机无法完成的设备。问题是，微量的热量就会扰乱量子计算机，因此工程师们必须在仅略高于绝对零度的低温冷冻器中制造它们。问题再次加剧：在那些温度下，普通电子设备工作得不太好。然而，超低温超导二极管可能会蓬勃发展。
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传统计算机也可以从中受益：不太可能是你的个人电脑或笔记本电脑，但更像是工业超级计算机等庞然大物。其他受益者可能是遍布全球数据中心的庞大服务器机架。它们占全球能源消耗的惊人1%，相当于整个中等规模的国家。将超导体应用于数据服务器可以使其能源效率提高数千倍。
在此之前还有一段路要走。下一步是找出如何一次性生产大量超导二极管。另一个是找到如何使它们在高于 -321°F（液氮沸点）的温度下工作：这个温度听起来极低，但比当前设备可能需要的、由液氢提供的更低的温度更容易实现。
尽管存在这些挑战，阿里对他的团队研究的未来感到兴奋。“我们有一些非常具体的想法来解决这两个方面的问题，并希望在未来几年内看到一些更具突破性的成果，”他说。
