一种厚度仅为头发丝七百分之一的“零能耗”量子超导二极管，正悄然改写电子器件的未来。2025年11月28日，北京量子信息科学研究院联合清华大学团队在《自然·物理》发表成果，宣布成功研制出可在液氮温区工作的超导二极管，实现无论导通还是截止状态都无能量损耗的运行。这一突破不仅让“永不发热”的芯片成为可能，更标志着超导电子学从实验室迈向产业化的关键转折。

传统半导体二极管依赖电压控制电流单向流动，但因材料电阻存在，工作时总会发热，造成能量浪费。即便是此前的超导二极管，虽具备零电阻特性，却只能在“导通”或“截止”某一状态下实现零能耗，另一半状态仍需耗能，无法真正“零功耗”。而此次新器件通过独特的电子配对机制，使电子始终以“库珀对”形式成对运动，避免了无序碰撞，无论处于何种逻辑状态，均不产生热量，整流效率达到100%。

这一突破的背后，是超导材料数十年发展的积累。自1911年荷兰科学家昂内斯在液氦冷却下发现汞的超导性以来，人类长期被困在接近绝对零度（-273°C）的极寒世界。早期实用化的铌钛合金（NbTi）和铌三锡（Nb₃Sn）需在4.2K（约-269°C）的液氦环境中运行。液氦稀有且昂贵，每升价格高达数十美元，还需复杂回收系统，极大限制了超导技术的普及。

转机出现在1986年。瑞士IBM实验室的贝德诺尔茨和缪勒在铜氧化物中发现高温超导现象，次年中国科学家赵忠贤团队与美国朱经武团队几乎同时实现钇钡铜氧（YBCO）在93K（-180°C）的超导，首次突破液氮沸点77K（-196°C）。液氮作为空气分离的副产品，价格仅为液氦的几十分之一，每升不足1美元，且可现场制备、储存运输简便。这一跨越，让超导技术真正具备了走出实验室的经济可行性。

此次新型量子超导二极管的工作温度正是提升至液氮温区，意义重大。过去，超导器件多依赖液氦冷却系统，设备庞大、维护复杂，难以集成到常规电子设备中。而液氮冷却系统结构简单，可用普通杜瓦瓶实现长时间稳定运行，大幅降低了工程门槛。上海已建成全球首条35千伏千米级REBCO超导电缆，韩国也部署了23千伏超导电网主干网，这些项目均依赖液氮冷却，证明其在能源领域的实用价值。

更重要的是，该器件具备量子抗噪能力，能有效过滤信号干扰，为量子计算提供了理想的逻辑元件。当前量子计算机面临的一大难题是信号失真与能耗过高，传统控制电路本身就会引入噪声。而这种“零能耗”二极管可在不产生额外热量的前提下完成信号整流与转换，有望成为未来量子芯片中的核心组件，推动量子计算机向小型化、高集成度发展。

这一成果的实现，也得益于新型研发机构的体制优势。研究团队指出，过去在高校实验室中，此类器件的批量制备成功率不足10%，而依托北京量子院的平台支持，低温器件制备工艺得以系统优化，良率与稳定性显著提升。从基础研究中的偶然发现，到技术路径的快速迭代，体现了“新型研发机构+高校团队”模式在前沿科技攻关中的协同效应。

展望未来，这项技术或将率先应用于高性能计算中心与量子信息设备。数据中心是全球增长最快的电力消耗源之一，占全球用电量约1%—2%。若能用“零能耗”超导逻辑电路替代部分传统芯片，将极大缓解散热压力与能源负担。尽管目前器件仍需低温环境，但随着材料与制冷技术进步，未来或可进一步向更高温度推进。

虽然室温超导仍是科学界的终极梦想，但液氮温区的稳定突破已为现实应用打开通道。从依赖稀有液氦到拥抱廉价液氮，从庞大系统到纳米器件，超导技术正经历一场静默却深刻的变革。这一次，中国科学家不仅跟上了节奏，更在关键器件上迈出了原创性的一步。