【產(chǎn)通社，11月14日訊】中國(guó)科學(xué)院（Chinese Academy of Sciences）官網(wǎng)消息，作為現(xiàn)代電子工業(yè)的基石，半導(dǎo)體電子器件的基元是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管效應(yīng)的P-N結(jié)。半導(dǎo)體P-N結(jié)的特性之一是單向?qū)щ娦�。在正向偏置時(shí)，P-N結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許電流通過(guò)；在反向偏置時(shí)，P-N結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，電流無(wú)法通過(guò)。半導(dǎo)體電子器件利用這樣的特性實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。與半導(dǎo)體材料類似，具有宏觀量子現(xiàn)象的超導(dǎo)體在量子電子學(xué)占有重要地位，如超導(dǎo)量子干涉儀等。那么，能否在超導(dǎo)電流中實(shí)現(xiàn)二極管效應(yīng)？由于超導(dǎo)電流的零電阻特性，答案似乎是否定的。

2007年，類比半導(dǎo)體P-N結(jié)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員胡江平與香港科技大學(xué)教授戴希等，在理論上提出利用電子、空穴摻雜超導(dǎo)體構(gòu)造的約瑟夫森結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管效應(yīng)，也稱約瑟夫森二極管。然而，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管極具挑戰(zhàn)。2020年，日本京都大學(xué)Teruo Ono研究組在Nb/V/Ta超晶格超導(dǎo)體中通過(guò)外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管現(xiàn)象；2022年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Mazhar Ali研究組在NbSe2/Nb3Br8/NbSe2約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)外場(chǎng)的約瑟夫森二極管效應(yīng)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起關(guān)注，成為超導(dǎo)電子學(xué)的熱點(diǎn)。具體而言，如圖1a所示，超導(dǎo)二極管效應(yīng)的基本特征：當(dāng)電流向右傳導(dǎo)時(shí)表現(xiàn)出無(wú)耗散的超導(dǎo)電流；當(dāng)電流向左傳導(dǎo)時(shí)表現(xiàn)出耗散的普通電流。約瑟夫森二極管效應(yīng)也表現(xiàn)出同樣的非倒易傳導(dǎo)，如圖1b所示。超導(dǎo)二極管的電流-電壓特征曲線如圖1c所示，系統(tǒng)存在一個(gè)正向臨界電流Ic+。當(dāng)正向電流I<Ic+，系統(tǒng)表現(xiàn)出典型的零電阻現(xiàn)象；當(dāng)電流I>Ic+時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出V≠0耗散的正常電阻。同樣，在反向電流中，存在另外一個(gè)臨界電流-Ic-。Ic+≠I(mǎi)c-是二極管的特性現(xiàn)象。如果施加一個(gè)幅度I0電流方波（Ic-<I0<Ic+），系統(tǒng)則表現(xiàn)出向右超導(dǎo)，向左電阻的二極管效應(yīng)。對(duì)于約瑟夫森結(jié)而言，除了Ic二極管效應(yīng)外，由于存在勢(shì)壘層和在掃描過(guò)程中的電荷積累，約瑟夫森結(jié)還存在一個(gè)回歸電流Ir。Ir+≠I(mǎi)r-是約瑟夫森結(jié)的另一個(gè)二極管特征。

近日，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心T06組研究員胡江平、特聘研究員蔣坤帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，進(jìn)一步拓展約瑟夫森二極管及超導(dǎo)二極管效應(yīng)的理論研究，對(duì)超導(dǎo)二極管和約瑟夫森二極管現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)稱性分析和分類。第一類在空間反演對(duì)稱性破缺下發(fā)生。需要依賴電壓的歷史和電荷積累的Ir+≠I(mǎi)r-現(xiàn)象是空間反演對(duì)稱性破缺的典型要求，例如，約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱、Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)等。第二類需要破壞時(shí)間反演對(duì)稱性。由于Ic+≠I(mǎi)c-現(xiàn)象發(fā)生在電壓等于0的情況，系統(tǒng)需要在電流等于0時(shí)破壞時(shí)間反演對(duì)稱性，如內(nèi)稟磁性或者外加磁場(chǎng)。因此，約瑟夫森結(jié)二極管可分成時(shí)間反演破缺型和空間反演破缺型。對(duì)于這兩類二極管，科研人員提出多種實(shí)現(xiàn)方案并進(jìn)行理論計(jì)算。該理論工作對(duì)NbSe2/Nb3Br8/NbSe2約瑟夫森二極管給出了理論解釋。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Physical Review X上。胡江平、蔣坤在Nature Physics上撰寫(xiě)了題為Superconducting diode effects的News and Views。研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)及中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)的支持。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官方網(wǎng)站http://www.cas.cn/syky/202211/t20221104_4853859.shtml。（張嘉汐，產(chǎn)通發(fā)布）    （完）