【產(chǎn)通社，7月29日訊】北京大學(xué)（Peking University）官網(wǎng)消息，其物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授孫慶豐課題組提出自旋超導(dǎo)二極管的普適理論。相關(guān)研究成果以“Universal spin superconducting diode effect from spin-orbit coupling”為題，于2024年5月21日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

二極管是正向電阻和反向電阻不相等的電子器件，具有單向?qū)ㄐ裕乾F(xiàn)代集成電路的基本元件。二極管的電阻非零，使得電子器件工作時不可避免地有熱耗散，這一發(fā)熱現(xiàn)象是當(dāng)今亟待解決的難題。2020年，有研究人員實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)版的二極管效應(yīng)，即研究者觀測到正向超導(dǎo)臨界電流和反向超導(dǎo)臨界電流大小不相等。這意味著電流大小在正向、反向超導(dǎo)臨界電流之間時，沿單向保持超流、電阻為0的現(xiàn)象。這樣的超導(dǎo)器件被稱作超導(dǎo)二極管，有很好的整流效應(yīng)，在低功耗電子器件方面有重要應(yīng)用前景。

電荷與自旋是電子的兩個基本屬性。通常超導(dǎo)是電荷的超導(dǎo)，上述超導(dǎo)二極管效應(yīng)實(shí)際上也是電荷的超導(dǎo)二極管效應(yīng)。在十多年前，他們提出了自旋超導(dǎo)的概念，即由自旋非零的玻色子凝聚形成的超流態(tài)。在自旋超導(dǎo)態(tài)中，自旋流可以無耗散地傳輸，自旋阻為零。2022年，他們指出自旋三重態(tài)超導(dǎo)的庫伯對既有電荷2e又有自旋S="1，因此自旋三重態(tài)超導(dǎo)既是電荷超導(dǎo)又是自旋超導(dǎo)。原則上，類似于電荷超導(dǎo)二極管效應(yīng)，在自旋超導(dǎo)體中可能存在自旋版本的超導(dǎo)二極管效應(yīng)。

孫慶豐課題組提出：自旋超導(dǎo)二極管效應(yīng)普遍存在于有自旋軌道耦合的自旋三重態(tài)超導(dǎo)體中。該工作通過金茲堡-朗道理論和能帶分析，發(fā)現(xiàn)自旋軌道耦合使得自旋↑↑和自旋↓↓的三重態(tài)庫珀對獲得相反的相位梯度，相反的動量，有相反的運(yùn)動傾向，從而普適地導(dǎo)致自旋超導(dǎo)二極管現(xiàn)象。他們也通過計(jì)算確認(rèn)這自旋超導(dǎo)二極管效應(yīng)的確普適的存在于各種有自旋軌道耦合的自旋三重態(tài)超導(dǎo)體中。此外，他們也提出一種統(tǒng)一理解電荷超導(dǎo)二極管和自旋超導(dǎo)二極管的理論。

北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心博士生毛岳是該論文第一作者，孫慶豐是通訊作者。該工作的參與者還有量子材料科學(xué)中心博士后閆青和博士研究生莊鈺晨。上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。

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