作为现代电子工业的基石，半导体电子器件的基元就是实现半导体二极管效应的P-N结。半导体P-N结的最大特性就是其单向导电性。在正向偏置时，P-N结处于导通状态，允许电流通过；在反向偏置时，P-N结处于截止状态，电流无法通过。半导体电子器件就是利用这样的特性实现逻辑运算。与半导体材料类似，具有宏观量子现象的超导体也在量子电子学中起到不可替代的作用，比如超导量子干涉仪等。那么，一个问题自然而生，我们能否在超导电流中实现二极管效应？由于超导电流的零电阻特性，这个问题的答案似乎是否定的。
2007年，类比于半导体P-N结，胡江平研究员（中科院物理研究网）与其合作者戴希教授（香港科大）、吴从军教授（西湖大学）首先在理论上提出利用电子、空穴掺杂超导体构造的约瑟夫森结来实现超导二极管效应，也称为约瑟夫森二极管[1]。但是，实验上实现超导二极管极具挑战。直到2020年，日本京都大学Teruo Ono研究组在Nb/V/Ta超晶格超导体中通过外加磁场首次实现超导二极管现象[2]。2022年，荷兰代尔夫特理工大学Mazhar Ali研究组在NbSe2/Nb3Br8/NbSe2约瑟夫森结中首次实现了无外场的约瑟夫森二极管效应[3]。这些实验结果引起了广泛关注，成为近期超导电子学中的热点问题 [4]。
具体而言，如图1a所示，超导二极管效应的基本特征就是当电流向右传导时表现出无耗散的超导电流；当电流向左传导时表现出耗散的普通电流。同样约瑟夫森二极管效应也表现出同样的非倒易传导，如图1b所示。超导二极管的电流-电压特征曲线如图1c所示, 系统存在一个正向临界电流Ic+。当正向电流I< Ic+，系统表现出典型的零电阻现象; 当电流I>Ic+时，系统表现出V≠0耗散的正常电阻。同样，在反向电流中，存在另外一个临界电流-Ic-。Ic+≠Ic-就是二极管的特性现象。如果施加一个幅度I0电流方波（Ic-<I0<Ic+），系统则表现出向右超导，向左电阻的二极管效应。对于约瑟夫森结而言，除了Ic二极管效应外，由于存在势垒层和在扫描过程中的电荷积累，约瑟夫森结还存在一个回归电流Ir。Ir+≠Ir-是约瑟夫森结的另外一个二极管特征。
图1.a 本征超导体中的二极管效应，其中无耗散的超导电流可以向右传导，有耗散的正常电流向左传导。b 有2块超导体和势垒层（Barrier）构造的约瑟夫森结中的二极管效应。c超导二极管电流-电压特征曲线示意图。系统存在两个临界电流Ic+、 -Ic-. Ic+≠Ic- 表现出二极管效应。对于约瑟夫森结，还存在两个Ir+≠Ir-的二极管效应。
最近，全球物理科学研究网/北京凝聚态物理国家研究中心T06组胡江平研究员、蒋坤特聘研究员带领团队进一步拓展约瑟夫森二极管及超导二极管效应的理论研究[4,5], 对超导二极管和约瑟夫森二极管现象进行对称性分析和分类。第一类在空间反演对称性破缺下发生。需要依赖电压的历史和电荷积累的Ir+≠Ir-现象就是空间反演对称性破缺的典型要求，比如约瑟夫森结结构的不对称、Rashba 自旋轨道耦合效应等。第二类需要破坏时间反演对称性。因为Ic+≠Ic-现象发生在电压等于0的情况， 系统需要在电流等于0时破坏时间反演对称性，比如内禀磁性或者外加磁场。因此约瑟夫森结二极管可以分成时间反演破缺型和空间反演破缺型。对于这两类二极管，他们分别提出多种实现方案并进行理论计算。最后这一理论工作对近期发现的NbSe2/Nb3Br8/NbSe2约瑟夫森二极管给出了理论解释。
相关工作近期发表在Phys. Rev. X 12, 041013 (2022)。胡江平研究员、蒋坤特聘研究员还受邀在Nature Physics 以“Superconducting Diode Effects”为题撰写News and Views：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01701-0。
本研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院先导项目以及中科院稳定支持基础研究领域青年团队的资助。
参考文献：
- Jiangping Hu, Congjun Wu, and Xi Dai, Phys. Rev. Lett. 99, 067004 (2007).
- F. Ando, Y. Miyasaka, T. Li, J. Ishizuka, T. Arakawa, Y. Shiota, T. Moriyama, Y. Yanase, and T. Ono, Nature 584, 373 (2020).
- Heng Wu, Yaojia Wang, Yuanfeng Xu, Pranava K. Sivakumar, Chris Pasco, Ulderico Filippozzi, Stuart S. P. Parkin, Yu-Jia Zeng, Tyrel McQueen, Mazhar N. Ali, Nature 604, 653 (2022).
- Kun Jiang, Jiangping Hu, Nature Physics, 18, 1145 (2022).
- Yi Zhang, Yuhao Gu, Pengfei Li, Jiangping Hu, Kun Jiang, Phys. Rev. X 12, 041013 (2022).