人们一直在寻找与半导体二极管相似的超导约瑟夫森二极管，理论家们为此提出了多种实现途径。近日，荷兰代尔夫特理工大学副教授Mazhar Ali 的研究小组取得了突破，利用二维量子材料构建超导约瑟夫森结，在没有磁场的情况下，观察到在正向电流下发生超导，同时在负向电流下具有电阻，证实了超导二极管效应。这一成果于4月27日发表在《自然》杂志上。
1911年，荷兰物理学家Kamerlingh Onnes发现了超导现象，一直以来，科学家们对超导的本质感到困惑。在正常的电流传导中，电子作为单独的粒子运动。而在超导体中，电子成对的移动，且不会损失电能。在超导体中，电流不受任何电阻的通过导线，意味着控制这种电流很困难，而控制电子单向运行是现代电子设备所需的基本特性（例如二极管）。由于内部存在电偶极子，经典半导体中的导电可以是单向的。以PN结为例，将两个不同掺杂工艺的半导体拼接到一起（P型半导体含有较高浓度的“空穴”，带正电；N型半导体含电子浓度较高，带负电），二者的交界面称为PN结，会产生一个内置的电势差，使得电子在其中运动时产生单向性。而在没有磁场的情况下，超导体与金属的导电性更类似，没有内置电势差，总是双向导电。约瑟夫森结是被一绝缘层分隔开来的两块超导体所组成的三明治结构。如果绝缘层足够厚，则电子不能通过；但对薄的绝缘层而言，电子就可能隧穿。约瑟夫森结并没有任何特殊的对称性破坏机制，导电性向前向后没有差异。
目前已经提出了很多种机制，可以在非中心对称超导体和二维电子气中实现场致非互易行为，所有这些几乎都需要施加磁场来打破反对称性与时间反演对称性。即在足够的磁场强度下，在一个方向上破坏超导态所需的临界电流可以不同于另一个方向上的临界电流。但纳米尺度上的磁场非常难以控制，因此在实际应用中，通常不希望通过局部磁场的方式进行调控。
在Ali小组的研究工作中，他们将约瑟夫森结中间的传统材料替换为只有几个原子层厚度的Nb3Br8（这是一种类似于石墨烯的二维材料，理论上可以承载净电偶极子），从而首次实现了约瑟夫森二极管。在实验中，他们在正反两个方向施加相同大小的电流，观察到在一个方向上没有测量到电阻（超导性），在另一个方向上测量到了实际的电阻（正常电导率），证实了超导二极管效应。施加不同的磁场测量此效应时，发现该效应在零外磁场时明显存在，施加外部磁场时则消失。
由于约瑟夫森结构成了包括超导量子干涉器件、超导量子比特和快速单通量量子器件在内的多种重要技术的基础，约瑟夫森二极管的实现将对超导电子学产生重大影响。Ali表示，下一步是尝试使用高温超导材料制作可以在77K以上的温度下操作的约瑟夫森二极管，这个温度下可以使用液氮冷却，成本将大大降低。同时，还要研究如何将生产规模扩大到可供芯片使用的数百万个约瑟夫森二极管。如此一来，以前只有使用半导体才能实现的技术，以后有可能使用这种超导二极管制造。
报道链接：https://phys.org/news/2022-04-discovery-one-way-superconductor-thought-impossible.html