【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“量子院”)半導(dǎo)體量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)基于高品質(zhì)半導(dǎo)體砷化銦(InAs)納米片和超導(dǎo)鋁電極構(gòu)造了平面約瑟夫森結(jié)器件，在該結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到可通過柵電壓調(diào)控的約瑟夫森二極管效應(yīng)(Josephson Diode Effect)或超導(dǎo)二極管效應(yīng)(Superconducting Diode Effect)，揭示了觀察到的效應(yīng)起源于Rashba自旋軌道耦合與塞曼效應(yīng)共同作用誘導(dǎo)產(chǎn)生的有限動(dòng)量配對(duì)機(jī)制。2025年5月2日，相關(guān)成果以“Gate Tunable Josephson Diode Effect in Josephson Junctions Made from InAs Nanosheets”為題，在線發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
 

　　隨著超導(dǎo)電子學(xué)的發(fā)展以及對(duì)新型量子態(tài)的持續(xù)探索，約瑟夫森二極管效應(yīng)因其在超導(dǎo)電路和拓?fù)淞孔悠骷械臐撛趹?yīng)用前景，逐漸成為研究熱點(diǎn)。近年來，該效應(yīng)已在包括拓?fù)浒虢饘佟⑼負(fù)浣^緣體和鐵磁金屬等多種體系中被觀測(cè)到。III-V族半導(dǎo)體材料(如 InAs 和 InSb)，具有強(qiáng)自旋軌道耦合(SOI)，在超導(dǎo)近鄰耦合和外加磁場(chǎng)條件下，能夠同時(shí)打破空間反演對(duì)稱性和時(shí)間反演對(duì)稱性，從而實(shí)現(xiàn)約瑟夫森二極管效應(yīng)。與其他材料相比，InAs、InSb的半導(dǎo)體特性使得其約瑟夫森二極管效應(yīng)具有更優(yōu)越的調(diào)控性。同時(shí)，自旋軌道耦合、近鄰超導(dǎo)、塞曼效應(yīng)這些機(jī)制也是構(gòu)建拓?fù)涑瑢?dǎo)體的核心要素。因此，本項(xiàng)研究不僅為實(shí)現(xiàn)可控約瑟夫森二極管效應(yīng)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也為進(jìn)一步探索與拓?fù)涑瑢?dǎo)相關(guān)的量子現(xiàn)象創(chuàng)造了條件。
 

　　基于高質(zhì)量 InAs 納米片與鋁超導(dǎo)電極，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了平面約瑟夫森結(jié)器件(圖a)，實(shí)現(xiàn)了“本征”約瑟夫森二極管效應(yīng)。“本征”是指該效應(yīng)并非源于器件幾何結(jié)構(gòu)或磁通釘扎等外在因素，而是由有限動(dòng)量配對(duì)機(jī)制所致。這一結(jié)論得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。(1)磁場(chǎng)方向依賴性(圖b)：當(dāng)器件中面內(nèi)磁場(chǎng)方向垂直于偏置電流時(shí)，二極管效應(yīng)最為顯著；而在二者平行時(shí)，該效應(yīng)幾乎完全消失。這一各向異性特征與有限動(dòng)量配對(duì)的理論預(yù)期一致。(2)磁場(chǎng)強(qiáng)度依賴性(圖c)：該二極管效應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)增強(qiáng)的演化趨勢(shì)也與該機(jī)制相符。(3)電場(chǎng)調(diào)控特性(圖d)：該二極管效應(yīng)的強(qiáng)度隨背柵電壓降低而逐漸減弱，并在特定電壓下完全消失。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)此前在 InAs 納米片中通過電場(chǎng)調(diào)控Rashba自旋軌道耦合的研究成果，研究人員認(rèn)為器件表現(xiàn)的約瑟夫森二極管效應(yīng)起源于Rashba自旋軌道耦合與塞曼效應(yīng)共同作用下誘導(dǎo)的有限動(dòng)量配對(duì)機(jī)制。該研究不僅為理解非互易超導(dǎo)輸運(yùn)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為實(shí)現(xiàn)柵控拓?fù)涑瑢?dǎo)器件和探索新型量子態(tài)奠定了基礎(chǔ)。
 

　　圖1 (a)InAs-Al 約瑟夫森結(jié)器件的掃描電鏡(SEM)照片(偽彩圖)；圖(b)約瑟夫森二極管效率隨磁場(chǎng)角度變化圖；圖(c)約瑟夫森二極管效應(yīng)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化圖；圖(d)約瑟夫森二極管效率隨柵極電壓調(diào)控圖。

 

　　該研究工作第一作者為量子院助理研究員顏世莉。共同通訊作者為量子院首席科學(xué)家徐洪起教授、副研究員王積銀和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所潘東研究員。其他重要合作者還包括北京大學(xué)博士畢業(yè)生羅毅、蘇海天，量子院博士后高涵、助理研究員吳幸軍，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所趙建華研究員。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的支持。