可能你對超導(dǎo)材料并不陌生了，因為人類探索已久，但你聽說過超導(dǎo)二極管？不急，且聽我慢慢道來……傳統(tǒng)的二極管，主要是利用異質(zhì)結(jié)（即p-n結(jié)）來對電流進(jìn)行整流。這樣的器件已廣泛存在于我們身邊的每一個電器零部件中，由于在結(jié)合部不可避免地存在非零電阻，因此傳統(tǒng)的二極管是難以實現(xiàn)超導(dǎo)效應(yīng)的。
近日，來自日本京都大學(xué)和大阪大學(xué)的Teruo Ono等人在一個沒有反演中心的人工超晶格[Nb/V/Ta]n中，展示了磁可控的超導(dǎo)二極管。通過直流電法測量，可以清楚地觀察到超導(dǎo)向法向過渡時電阻與電流的非互異曲線，并認(rèn)為臨界電流的差異與空間反演和時間反演對稱性的破缺所引起的手性磁各向異性有關(guān)。由于非互易臨界電流的存在，[Nb/V/Ta]n超晶格只在一個方向上表現(xiàn)出零電阻。該研究成果以題為“Observation of superconducting diode effect”的論文發(fā)表在《Nature》上（見文后原文鏈接）。
【圖文詳解】
超導(dǎo)二極管長得什么樣？研究者將鈮、釩、鉭三種超導(dǎo)元素重復(fù)疊加，制作了非中心對稱超晶格，觀察到磁場控制下的超導(dǎo)二極管效應(yīng)(圖1)。通過直流(d.c.)測量，我們清楚地觀察到了電阻電流(R-I)曲線中的非互易性，尤其是臨界電流(圖2)。此外，在電阻性超導(dǎo)漲落區(qū)還觀察到Rashba超導(dǎo)體特有的非線性電阻。該非互易臨界電流是Rashba超導(dǎo)體中磁手性各向異性的結(jié)果。
在具有明確周期界面的MgO(100)襯底上外延生長的超晶格[Nb(1.0 nm)/V(1.0 nm)/Ta(1.0 nm)]40被制作成線狀結(jié)構(gòu)，用于四端測量(圖1b等)。在物理性質(zhì)測量系統(tǒng)(PPMS-3)的實驗室內(nèi)，超導(dǎo)磁體施加外磁場，其方向在薄膜平面內(nèi)，垂直于流動電流I。這里，電流方向和磁場方向分別定義為x軸和y軸。
首先，研究者測量了薄片電阻的溫度依賴性，用于確定臨界溫度Tc。如圖1所示，發(fā)現(xiàn)Tc?= 4.41 K和正常的低溫下的阻值大約是3.75Ω。超導(dǎo)和正常之間的進(jìn)行交替切換狀態(tài)(圖1 c)證明如下：在+y方向上將磁場設(shè)置為+0.02 T(或- 0.02 T)，在4.2 K時，連續(xù)測量薄片電阻所得正直流電流I?= +6.6 mA，略低于Tc。然后,而正向的磁場可獲得零電阻(約0.0017Ω)，而磁場逆轉(zhuǎn)時得到了正常阻力(3.76Ω)。當(dāng)再施加一個負(fù)向的直流電流I?= -6.6 mA時，開關(guān)行為逆轉(zhuǎn)。這一結(jié)果有力地說明了超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的切換完全取決于磁場和電流的符號。
超導(dǎo)二極管效應(yīng)。為了詳細(xì)研究超導(dǎo)二極管效應(yīng)，研究者測量了不同磁場和溫度下薄片電阻的直流依賴性(圖2)。在4.2 K時的典型測量結(jié)果中(圖2a)，注意到R-I曲線在不同電流下顯示了一個跳躍，這取決于施加的直流電流是正(+I)還是負(fù)(-I)。在這里，R-I曲線的中點被定義為臨界電流Ic，并繪制出各種磁場下正(+I)電流和負(fù)(-I)電流的Ic值(圖2b)。這兩條曲線清楚地表明，Ic中非互易分量的符號是由電流方向和磁場方向的相對角度唯一決定的，當(dāng)磁場向左時Ic增大，當(dāng)磁場向右時Ic減小。
磁場ΔIc的依賴是調(diào)查范圍2.0-4.35 K(圖2 c)。對于每個溫度，磁場沿y軸向前掃(+y)和向后掃(- y)的結(jié)果與磁場呈反對稱關(guān)系；這證實了ΔIc本質(zhì)上是由磁場決定的。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的增加到Tc，顯然ΔIc隨后出現(xiàn)收縮，出現(xiàn)了類似于單向的電荷傳輸行為的MoS2、WS2和Bi2Te3/FeTe。
性能對比。研究者通過交流電(交流)諧波的測量，來發(fā)現(xiàn)非互易的臨界電流的機(jī)制。在這里，Rω(一階諧波電阻)對應(yīng)線性電阻R0，不依賴于電流大小。相比之下，R2ω(二階諧波電阻)表示二階阻力，它正比于電流和磁場。圖3a中，在4.2 K掃面磁場使，Rω和R2ω都進(jìn)行了測量。R2ω在轉(zhuǎn)換和反對稱的磁場中得到了極大地增強(qiáng)，當(dāng)磁場正交于電流(±y方向)時，它極??；當(dāng)磁場平行于電流(+x方向)時，它幾乎可以忽略不計。R2ω的方向依賴性完全體現(xiàn)了Rashba超導(dǎo)體的特性。這也是目前三維超晶格中Rashba超導(dǎo)電性的第一個直接證據(jù)。
圖3b中，測量了R2ω的溫度依賴性。觀察到每個溫度下，R2ω信號在臨界磁場都得到了增強(qiáng)，這可能就是由超導(dǎo)漲落引起的非互易電荷輸運。
圖4中展現(xiàn)了超導(dǎo)特性與溫度的依賴關(guān)系，依賴數(shù)值為。值得注意的是，在Tc附近，該值逐漸增大，在其最大值處達(dá)到了γ≈550 T-1A-1。這些趨勢與其他低維系統(tǒng)完全一致。在Tc附近可以清楚地觀察到，[Nb/V/Ta]n超晶格的磁手性各向異性自然地形成了非互易臨界電流。
小結(jié)
綜上所述，研究者證明了在人工[Nb/V/Ta]n超晶格中存在磁可控超導(dǎo)二極管。通過調(diào)整超晶格結(jié)構(gòu)，如組成元素、厚度或重復(fù)次數(shù)，可以很容易地控制超導(dǎo)二極管的性能。這種超導(dǎo)二極管將為超導(dǎo)器件的發(fā)展鋪平道路。
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