作為現(xiàn)代電子工業(yè)的基石，半導體電子器件的基元是實現(xiàn)半導體二極管效應的P-N結(jié)。半導體P-N結(jié)的特性之一是單向?qū)щ娦?。在正向偏置時，P-N結(jié)處于導通狀態(tài)，允許電流通過；在反向偏置時，P-N結(jié)處于截止狀態(tài)，電流無法通過。半導體電子器件利用這樣的特性實現(xiàn)邏輯運算。與半導體材料類似，具有宏觀量子現(xiàn)象的超導體在量子電子學占有重要地位，如超導量子干涉儀等。那么，能否在超導電流中實現(xiàn)二極管效應？由于超導電流的零電阻特性，答案似乎是否定的。

　　2007年，類比半導體P-N結(jié)，中國科學院物理研究所研究員胡江平與香港科技大學教授戴希等，在理論上提出利用電子、空穴摻雜超導體構(gòu)造的約瑟夫森結(jié)來實現(xiàn)超導二極管效應，也稱約瑟夫森二極管。然而，實驗上實現(xiàn)超導二極管極具挑戰(zhàn)。2020年，日本京都大學Teruo Ono研究組在Nb/V/Ta超晶格超導體中通過外加磁場實現(xiàn)超導二極管現(xiàn)象；2022年，荷蘭代爾夫特理工大學Mazhar Ali研究組在NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂約瑟夫森結(jié)實現(xiàn)無外場的約瑟夫森二極管效應。這些實驗結(jié)果引起關注，成為超導電子學的熱點。具體而言，如圖1a所示，超導二極管效應的基本特征：當電流向右傳導時表現(xiàn)出無耗散的超導電流；當電流向左傳導時表現(xiàn)出耗散的普通電流。約瑟夫森二極管效應也表現(xiàn)出同樣的非倒易傳導，如圖1b所示。超導二極管的電流-電壓特征曲線如圖1c所示，系統(tǒng)存在一個正向臨界電流I_c+。當正向電流I<I_c+，系統(tǒng)表現(xiàn)出典型的零電阻現(xiàn)象；當電流I>I_c+時，系統(tǒng)表現(xiàn)出V≠0耗散的正常電阻。同樣，在反向電流中，存在另外一個臨界電流-I_c-。I_c+≠I_c-是二極管的特性現(xiàn)象。如果施加一個幅度I₀電流方波（Ic-<I₀<I_c+），系統(tǒng)則表現(xiàn)出向右超導，向左電阻的二極管效應。對于約瑟夫森結(jié)而言，除了I_c二極管效應外，由于存在勢壘層和在掃描過程中的電荷積累，約瑟夫森結(jié)還存在一個回歸電流I_r。I_r+≠I_r-是約瑟夫森結(jié)的另一個二極管特征。

　　近日，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心T06組研究員胡江平、特聘研究員蔣坤帶領的團隊，進一步拓展約瑟夫森二極管及超導二極管效應的理論研究，對超導二極管和約瑟夫森二極管現(xiàn)象進行對稱性分析和分類。第一類在空間反演對稱性破缺下發(fā)生。需要依賴電壓的歷史和電荷積累的I_r+≠I_r-現(xiàn)象是空間反演對稱性破缺的典型要求，例如，約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)的不對稱、Rashba自旋軌道耦合效應等。第二類需要破壞時間反演對稱性。由于I_c+≠I_c-現(xiàn)象發(fā)生在電壓等于0的情況，系統(tǒng)需要在電流等于0時破壞時間反演對稱性，如內(nèi)稟磁性或者外加磁場。因此，約瑟夫森結(jié)二極管可分成時間反演破缺型和空間反演破缺型。對于這兩類二極管，科研人員提出多種實現(xiàn)方案并進行理論計算。該理論工作對NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂約瑟夫森二極管給出了理論解釋。

　　相關研究成果發(fā)表在Physical Review X上。胡江平、蔣坤在Nature Physics上撰寫了題為Superconducting diode effects的News and Views。研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項及中科院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊的支持。

　　a、本征超導體中的二極管效應，其中無耗散的超導電流可以向右傳導，有耗散的正常電流向左傳導。b、有2塊超導體和勢壘層（Barrier）構(gòu)造的約瑟夫森結(jié)中的二極管效應。c、超導二極管電流-電壓特征曲線示意圖。系統(tǒng)存在兩個臨界電流I_c+、-I_c-。I_c+≠I_c-表現(xiàn)出二極管效應。對于約瑟夫森結(jié)，還存在兩個I_r+≠I_r-的二極管效應。