Nature新突破：范德瓦尔斯异质结构中的无场约瑟夫森二极管

【导读】

寻找与半导体二极管相似（semiconducting diode）的超导约瑟夫森二极管（Josephson diode），自其理论提出以来，一直在寻找多种物理实现途径。通过约瑟夫森耦合，它具有无磁场、单向超导性，将成为下一代超导电路技术的基石。

【成果掠影】

今日德国马克斯普朗克微观结构物理学研究所Mazhar N. Ali教授团队联合深圳大学曾昱嘉教授团队通过制造NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂的反转对称破坏范德华异质结构来实现约瑟夫森二极管。通过证明，即使没有磁场，结也可以在正电流下超导，同时在负电流下具有电阻性。ΔI_c行为（正和负临界电流之间的差异）与磁场是对称的，并且通过弗劳恩霍夫模式证明了约瑟夫森耦合。此外，以非常低的开关电流密度、高整流比和高鲁棒性实现了方波激励的稳定半波整流。这种非互易行为强烈违反了已知的约瑟夫森关系，并为通过量子材料与约瑟夫森结的整合打开了发现新机制和物理现象的大门，并为超导量子器件提供了新途径。相关成果以“The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure”发表在Nature上。文章通讯作者为德国马克斯普朗克微观结构物理学研究所Mazhar N. Ali和Heng Wu。

【数据概况】

图 1：JD 在零场的示意图和超导性。

图 2：JD 在 20 mK 和零场下的半波整流和耐久性测试。

图 3： I_c和 ΔI_c的磁场依赖性。

图 4：JD 的临界电流图和二次谐波电阻。

【成果启示】

未来通过调整屏障的几何形状或类型来优化无场“约瑟夫森二极管”架构可以产生更理想的二极管行为。创造更多的量子材料约瑟夫森结，例如这里展示的那些，可以通过势垒的内在特性的影响揭示导致新的或异常的约瑟夫森现象的涌现现象。未来的工作将具有拓扑状态、铁电性、磁电性、非共线磁性、OAI 和扭曲异质结构的涌现特性等特性的材料与超导电极结合起来，可能会实现新的约瑟夫森现象。因此，使用量子材料创造超导电子产品的机会是巨大的，而且才刚刚开始。

参考文献：Wu, H., Wang, Y., Xu, Y. et al. The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure. Nature 604, 653–656 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04504-8

本文由春国供稿。