具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管是電子電路中最基本的單元器件之一，幾乎存在于所有的電子電路和芯片中，其發(fā)展對現(xiàn)代電子信息社會的進步起到了巨大的推進作用。對于常見的半導體二極管，由于半導體材料本身存在有限的電阻，二極管工作時不可避免的存在能量損耗。而超導材料具有完全的零電阻效應，使得超導電子器件具有天然的超低功耗的優(yōu)點。但是長期以來，實現(xiàn)具有單向超流輸運（單向零電阻態(tài)）的超導二極管一直是超導電子學領(lǐng)域的一大難點。
圖：超導薄膜中引入保角變換納米孔洞陣列實現(xiàn)可調(diào)控的超導二極管效應。a, 超導薄膜上制備的由三角格子保角變換獲得的納米孔洞陣列。插圖為超導二極管器件的照片和測試接線圖；b,電流驅(qū)動的超導-正常態(tài)轉(zhuǎn)變在正負電流下的不對稱表明實現(xiàn)了超導二極管效應；c, 溫度調(diào)控的二極管整流效應。插圖為磁場調(diào)控的二極管開關(guān)和極性翻轉(zhuǎn)
近日，南京大學吳培亨院士領(lǐng)導的超導電子學研究所呂陽陽博士、王永磊教授和王華兵教授等人與美國阿貢國家實驗室、浙江大學和比利時安特衛(wèi)普大學等多個國際研究組合作設計出了一種可調(diào)控的超導二極管器件（圖a）。通過在超導薄膜上制備具有保角變換（一種在保持晶格局域排列結(jié)構(gòu)下形成梯度分布的變換）的納米孔洞陣列實現(xiàn)樣品中空間反演對稱性的破缺（一種空間上的不對稱性），同時通過施加磁場產(chǎn)生時間反演對稱性破缺（時間反演操作下的不對稱性），不但成功實現(xiàn)了具有單向零電阻效應的超導二極管效應（圖b），而且可以實現(xiàn)二極管整流信號的原位開關(guān)、極性反轉(zhuǎn)和整流幅度調(diào)節(jié)（圖c）。利用該超導二極管實現(xiàn)的超導整流信號強度比該研究組三年前利用人工自旋冰和超導異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件制備的磁通量子二極管的整流信號大三個數(shù)量級。該工作為開發(fā)超低功耗的超導電路和芯片、促進現(xiàn)代超導電子學的發(fā)展提供了一種新方法、新器件。
該研究組長期致力于超導電子器件的研究，未來不但將繼續(xù)探索新的超導二極管原理，還將研究更加實用化的超導二極管，包括優(yōu)化超導二極管的性能、提升工作溫度、簡化器件制備工藝和研制無需外部施加磁場的超導二極管。
該研究成果近期發(fā)表于《Nature Communications》期刊上。南京大學為該論文第一單位。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省科技廳、南京紫金山實驗室等的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-021-23077-0
