导读 超导体——无电阻导电的材料——非常了不起。它们提供了对量子现象的宏观一瞥，这些现象通常只能在原子水平上观察到。除了物理特性之外，超

超导体——无电阻导电的材料——非常了不起。它们提供了对量子现象的宏观一瞥，这些现象通常只能在原子水平上观察到。除了物理特性之外，超导体也很有用。它们存在于医学成像、量子计算机和与望远镜一起使用的相机中。

但是超导设备可能很挑剔。通常，它们的制造成本很高，并且容易因环境噪音而出错。由于电气工程和计算机科学系 Karl Berggren 小组的研究，这种情况可能会改变。

研究人员正在开发一种超导纳米线，它可以实现更高效的超导电子产品。Berggren 说，纳米线的潜在好处源于其简单性。“归根结底，它只是一根电线。”

Berggren 将在本月的 IEEE 固态电路会议上介绍研究摘要。

抵抗是徒劳的

大多数金属在极低的温度下会失去电阻并变成超导，通常仅比绝对零值高几度。它们用于感应磁场，尤其是在高度敏感的情况下，例如监测大脑活动。它们在量子计算和经典计算中也有应用。

许多超导体的基础是 1960 年代发明的一种称为约瑟夫森结的装置——本质上是两个由薄绝缘体隔开的超导体。“这就是导致传统超导电子设备，然后最终导致超导量子计算机的原因，”伯格伦说。

然而，约瑟夫森结“从根本上说是一个非常微妙的物体，”伯格伦补充道。这直接转化为制造的成本和复杂性，特别是对于以后的薄绝缘。基于约瑟夫森结的超导体也可能无法与其他超导体配合使用：“如果您尝试将其与传统电子设备(例如我们的手机或计算机中的那种)连接，那么来自这些设备的噪音只会淹没约瑟夫森结。因此，这种缺乏能力当你试图与外部世界互动时，控制大型物体是一个真正的劣势。”

为了克服这些缺点，伯格伦正在开发一种新技术——超导纳米线——其根源比约瑟夫森结本身还要古老。

冷冻机重启

1956 年，麻省理工学院电气工程师达德利·巴克 (Dudley Buck) 发表了对称为低温管的超导计算机开关的描述。该设备只不过是两根超导线：一根是直的，另一根缠绕在它周围。低温管就像一个开关，因为当电流流过线圈时，它的磁场会减少流过直线的电流。

当时，低温管比其他类型的计算开关小得多，比如真空管或晶体管，巴克认为低温管可以成为计算机的组成部分。但在 1959 年，巴克突然去世，享年 32 岁，从而停止了低温管的发展。(从那时起，晶体管被缩小到微观尺寸，今天构成了计算机的核心逻辑组件。)

现在，伯格伦正在重新点燃巴克关于超导计算机的想法开关。“我们正在制造的设备非常像低温管，因为它们不需要约瑟夫森结，”他说。他将他的超导纳米线装置称为纳米冷冻管，以向巴克致敬——尽管它的工作原理与最初的冷冻管略有不同。

纳米冷冻管使用热量而不是磁场来触发开关。在伯格伦的装置中，电流流过称为“通道”的超导、过冷线。这条通道与一条更小的电线相交，称为“扼流圈”——就像一条多车道高速公路与一条支路相交。当电流通过扼流圈时，它的超导性会被破坏并升温。一旦热量从扼流圈传播到主通道，它就会导致主通道也失去其超导状态。

Berggren 的团队已经展示了将纳米冷冻管用作电子元件的概念验证。Berggren 以前的学生 Adam McCaughan 开发了一种使用纳米冷冻管来添加二进制数字的设备。Berggren 成功地将纳米低温加速器用作超导设备和经典的基于晶体管的电子设备之间的接口。

Berggren 说，他的团队的超导纳米线有朝一日可以补充——或者可能与——基于约瑟夫森结的超导设备相竞争。“电线相对容易制造，因此它在可制造性方面可能具有一些优势，”他说。

他认为纳米低温加速器有朝一日可以在超导量子计算机和用于望远镜的过冷电子设备中找到一席之地。他说，电线具有低功耗，因此它们可能也适用于高耗能应用。“它可能不会取代你手机中的晶体管，但如果它可以取代服务器群或数据中心中的晶体管?那将是一个巨大的影响。”

除了特定应用之外，伯格伦对他在超导纳米线方面的工作有着广泛的看法。“我们在这里进行基础研究。虽然我们对应用感兴趣，但我们也对：有哪些不同类型的计算方式?作为一个社会，我们真的专注于半导体和晶体管. 但我们想知道还有什么可能存在。”