半導(dǎo)體二極管因其非互易電荷輸運性質(zhì)(即單向?qū)ㄐ再|(zhì))成為了現(xiàn)代電子學(xué)中的重要組成部分。超導(dǎo)體中也存在著類似的半導(dǎo)體二極管現(xiàn)象,稱為超導(dǎo)二極管效應(yīng)。其特征是一個方向的超導(dǎo)臨界電流與相反方向的不同,因此可以表現(xiàn)出超導(dǎo)整流效應(yīng),其較大的優(yōu)勢就是近零(或極低)的功耗。自Nb/V/Ta超晶格超導(dǎo)體中觀察到超導(dǎo)二極管效應(yīng)以來,因該效應(yīng)的器件不僅可以作為低溫電子電路的基本元件,具有巨大的應(yīng)用潛力,還能反應(yīng)最基本的物理特征如時間/空間反演對稱性等,因而用來研究材料體系中的本征物理性質(zhì)。
近日,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心Q02/HX-Q02課題組的沈潔特聘研究員、呂力研究員與合作者帶領(lǐng)團(tuán)隊利用拓?fù)洳牧蟃a2Pd3Te5的邊緣態(tài)和超導(dǎo)電極構(gòu)建一種新型的約瑟夫森二極管。該團(tuán)隊選擇Ta2Pd3Te5的原因是:1)其是范德華爾斯材料,容易通過機械剝離的方法制備器件;2)理論計算表明,其在無相互作用的情況下,是一種量子自旋霍爾絕緣體。輸運工作也發(fā)現(xiàn)Ta2Pd3Te5中的邊緣態(tài)及其表現(xiàn)出的Luttinger液體行為;3)Ta2Pd3Te5還可以通過摻雜或高壓引入超導(dǎo)電性。這些都為在該材料上制備約瑟夫森二極管提供動力和基礎(chǔ)。該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)Ta2Pd3Te5邊緣干涉器具有干涉約瑟夫森二極管效應(yīng),并具有幾個優(yōu)點:1)在非常小的磁場下就能實現(xiàn)較高的約瑟夫森二極管效率;2)其功率極?。ㄆね呒墸?;3)其效率在微波輻照下,隨功率的衰減比較慢,因此可在高頻下使用。該團(tuán)隊還證實該約瑟夫森二極管的產(chǎn)生機制:1)需外加磁場;2)需要兩個邊緣態(tài)約瑟夫森結(jié)的超流不一致;3)約瑟夫森結(jié)中的超流-相位關(guān)系需要有高階諧振項。
這類邊緣干涉器提供了一種新的有效方法來提高超導(dǎo)二極管的整體性能,如所需磁場小、效率高、功率低和在微波環(huán)境的相對穩(wěn)定性。這些性能指標(biāo)很多都是其應(yīng)用于低溫環(huán)境中的關(guān)鍵要素。此外,這類機制的約瑟夫森二極管可以與尖端光刻技術(shù)兼容和集成到大規(guī)模超導(dǎo)量子電路中,這也為超導(dǎo)電子學(xué)提供巨大的應(yīng)用價值。當(dāng)然,相關(guān)的應(yīng)用仍需開展很多的研究。
上述相關(guān)成果以“Interfering Josephson diode effect in Ta2Pd3Te5?asymmetric edge interferometer”為題發(fā)表于Nature Communications 15,9031 (2024),物理所博士后李宇鵬和閆大禹(已出站)為共同第一作者,沈潔特聘研究員、呂力研究員和石友國研究員為共同通訊作者。王志俊研究員、胡江平研究員、蔣坤研究員、錢天研究員、屈凡明研究員、劉廣同研究員和浙江大學(xué)許祝安教授等老師及同學(xué)在相應(yīng)的實驗方面提供了幫助。該工作受到了北京市科技新星、北京市杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、北京市自然科學(xué)基金委、綜合極端條件實驗裝置和材料基因平臺等資助?!?/span>
相關(guān)工作鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-53383-2

圖 a)由Ta2Pd3Te5邊緣態(tài)構(gòu)成的約瑟夫森結(jié)。b)邊緣態(tài)超流干涉效應(yīng)。c)超流密度分布。d)約瑟夫森二極管效應(yīng)。e)超導(dǎo)整流效應(yīng)。f)微波輻照下的半整數(shù)Shapiro臺階。