Sketch of STM-based Josephson junction including a single atom. Inset, STM topography of a Pb(111) surface with individual Pb, Mn and Cr adatoms (coloured circles); scanning parameters: 50 mV, 50 pA. Scale bar, 3 nm.二極管是現代電子產品中最常見的部件之一，二極管的最基本特性是只有一個方向流動電流，最典型的電路就是整流電路。長期以來，科學家們一直在尋求制造超導二極管，以幫助制造更快、消耗更少能量的計算機。現在，一項新的研究揭示了使用單個磁原子制造的盡可能小的超導二極管，這可能有助于開創超導電子的新時代。盡管普通的導電體都在一定程度上抵抗電子流，但超導體導電時沒有任何電阻。這表明，使用二極管等超導元件制造的計算機在速度和功率方面都比普通計算機高效得多。目前已知超導體只能在極冷或極壓下工作，這排除了它們在個人計算機中使用的可能性，但科學家們表示，超導電子器件仍可能在超級計算機或服務器場等集中式設施中使用。在過去五年左右的時間里，研究人員創造了第一個超導二極管。然而，這些要么依賴于向器件施加磁場，要么依賴于在器件內增加磁性層。柏林自由大學的實驗物理學家、該研究的資深作者Katharina Franke說：“第一種方法與更大的架構不兼容，在這種架構中，每個二極管都需要單獨處理。第二種方法需要復雜的材料設計。現在，Franke和她的同事們已經制造出了超導二極管，它只由一個超導體和上面的一個磁原子組成。“因此，這是一個簡單的設備，可以通過選擇磁原子進行簡單的控制，”她說。在這項新的研究中，研究人員對約瑟夫結(Josephson junctions)進行了實驗，每個約瑟夫結都由夾在兩個超導層之間的一層非常薄的絕緣膜組成。這些設備有助于構成被稱為超導量子干涉設備（superconducting quantum-interference devices,SQUID）的非常靈敏的磁傳感器。它們也是基于超導體的量子計算機的關鍵，IBM和谷歌正在建造這些計算機，希望有一天它們能從根本上勝過普通計算機。研究人員首先在超導鉛晶體上沉積了鉛、鉻或錳的單個磁性原子。接下來，他們將掃描隧道顯微鏡的超導鉛尖端放置在這些原子的頂部。該研究的主要作者、柏林自由大學的實驗物理學家Martina Trahms和她的同事發現，他們可以在這些原子級約瑟夫結中產生二極管效應。此外，他們可以根據夾在超導體之間的原子來控制這種效應的強度和方向。鉛原子沒有表現出二極管效應，而鉻和錳原子表現出二極管作用，盡管電流以相反的方向流過它們。研究合著者、柏林自由大學理論物理學家Felix von Oppen及其同事的一個理論模型揭示了準粒子的電流有助于解釋這種二極管機制。研究人員認為，這可能會帶來制造原子級超導二極管的新方法。Franke補充道：“超導二極管可能在未來的某個時候被集成到量子計算機的構建中。”她解釋說，具體來說，它們可以作為量子計算機關鍵組件（量子位）之間的可控連接，也可以最大限度地減少量子位之間的破壞性相互作用。3月8日，科學家們在《自然》雜志在線詳細介紹了他們的發現。
