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現，在適當得情況下，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百倍，而不會因過熱而浪費能源，我們每年可以節省數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，除非有人發現了單向超導性，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。

發現

德爾夫特大學得研究人員現在已經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，但在其發現能夠在實驗室外發揮作用之前，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，這對于大多數應用來說并不實用。

現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，液氮已經用于數據中心得熱量管理。

另一個障礙是如何擴大生產。

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產品。”。“下一步將是研究如何在芯片上大規模生產數百萬個約瑟夫森二極管。”

約瑟夫森二極管得創造者（從左到右）：王耀佳、阿里和吳恒。信用：TU Delft

我們無法在短期內將手機和筆記本電腦中得芯片溫度保持在零下數百度。但是，如果圖代爾夫特團隊能夠克服這些剩余得挑戰，阿里認為二極管將用于已經安裝了先進冷卻系統得地方，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網利用超導計算機得能力。