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(jìn)步起到了巨大的推進(jìn)作用。對于常見的半導(dǎo)體二極管，由于半導(dǎo)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(dǎo)材料具有完全的零電阻效應(yīng)，使得超導(dǎo)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(dǎo)二極管一直是超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的一大難點。
圖：超導(dǎo)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(dǎo)二極管效應(yīng)。a, 超導(dǎo)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(dǎo)二極管器件的照片和測試接線圖；b,電流驅(qū)動的超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變在正負(fù)電流下的不對稱表明實現(xiàn)了超導(dǎo)二極管效應(yīng)；c, 溫度調(diào)控的二極管整流效應(yīng)。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(xué)吳培亨院士領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)電子學(xué)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(xué)和比利時安特衛(wèi)普大學(xué)等多個國際研究組合作設(shè)計出了一種可調(diào)控的超導(dǎo)二極管器件（圖a）。通過在超導(dǎo)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(yīng)的超導(dǎo)二極管效應(yīng)（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(dǎo)二極管實現(xiàn)的超導(dǎo)整流信號強(qiáng)度比該研究組三年前利用人工自旋冰和超導(dǎo)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(dǎo)電路和芯片、促進(jìn)現(xiàn)代超導(dǎo)電子學(xué)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(dǎo)電子器件的研究，未來不但將繼續(xù)探索新的超導(dǎo)二極管原理，還將研究更加實用化的超導(dǎo)二極管，包括優(yōu)化超導(dǎo)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(dǎo)二極管。
該研究成果近期發(fā)表于《Nature Communications》期刊上。南京大學(xué)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(xué)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
