半导体二极管因其非互易电荷输运性质（即单向导通性质）成为了现代电子学中的重要组成部分。超导体中也存在着类似的半导体二极管现象，称为超导二极管效应。其特征是一个方向的超导临界电流与相反方向的不同，因此可以表现出超导整流效应，其较大的优势就是近零（或极低）的功耗。自Nb/V/Ta超晶格超导体中观察到超导二极管效应以来，因该效应的器件不仅可以作为低温电子电路的基本元件，具有巨大的应用潜力，还能反映最基本的物理特征如时间/空间反演对称性等，因而用来研究材料体系中的本征物理性质。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q02/HX-Q02课题组的沈洁特聘研究员、吕力研究员与合作者带领团队利用拓扑材料Ta2Pd3Te5的边缘态和超导电极构建一种新型的约瑟夫森二极管。该团队选择Ta2Pd3Te5的原因是：1）其是范德华尔斯材料，容易通过机械剥离的方法制备器件；2）理论计算表明，其在无相互作用的情况下，是一种量子自旋霍尔绝缘体。输运工作也发现Ta2Pd3Te5中的边缘态及其表现出的Luttinger液体行为；3）Ta2Pd3Te5还可以通过掺杂或高压引入超导电性。这些都为在该材料上制备约瑟夫森二极管提供动力和基础。该团队发现Ta2Pd3Te5边缘干涉器具有干涉约瑟夫森二极管效应，并具有几个优点：1）在非常小的磁场下就能实现较高的约瑟夫森二极管效率；2）其功率极小（皮瓦级）；3）其效率在微波辐照下，随功率的衰减比较慢，因此可在高频下使用。该团队还证实该约瑟夫森二极管的产生机制：1）需外加磁场；2）需要两个边缘态约瑟夫森结的超流不一致；3）约瑟夫森结中的超流-相位关系需要有高阶谐振项。
图 a）由Ta2Pd3Te5边缘态构成的约瑟夫森结。b）边缘态超流干涉效应。c）超流密度分布。d）约瑟夫森二极管效应。e）超导整流效应。f）微波辐照下的半整数Shapiro台阶。
这类边缘干涉器提供了一种新的有效方法来提高超导二极管的整体性能，如所需磁场小、效率高、功率低和在微波环境的相对稳定性。这些性能指标很多都是其应用于低温环境中的关键要素。此外，这类机制的约瑟夫森二极管可以与尖端光刻技术兼容和集成到大规模超导量子电路中，这也为超导电子学提供巨大的应用价值。当然，相关的应用仍需开展很多的研究。
上述相关成果以“Interfering Josephson diode effect in Ta 2Pd 3Te 5 asymmetric edge interferometer”为题发表于Nature Communications 15，9031 (2024），物理所博士后李宇鹏和闫大禹（已出站）为共同第一作者，沈洁特聘研究员、吕力研究员和石友国研究员为共同通讯作者。王志俊研究员、胡江平研究员、蒋坤研究员、钱天研究员、屈凡明研究员、刘广同研究员和浙江大学许祝安教授等老师及同学在相应的实验方面提供了帮助。该工作受到了北京市科技新星、北京市杰出青年基金、国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、中国科学院、北京市自然科学基金委、综合极端条件实验装置和材料基因平台等资助。
编辑：余荫铠
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