一个国际物理学家小组已经证明，夹在两块超导体之间的一层非常薄的量子力学材料可以导电，无论有或是没有电阻的情况下，具体取决于施加的电压的方向。该团队表示，新的“约瑟夫森二极管”可以在没有磁场的情况下运行，并且可以产生新一代更快、更节能的电子产品。

传统二极管的用途广泛，包括交流电转换为直流电、无线电信号解调以及作为逻辑门内的元件。它们通常由 ap-n 结制成；也就是说，由连接在一起的正掺杂和负掺杂硅片组成。随着一些多余的“空穴”（正电荷区域）和电子的结合，连接处周围的区域变得绝缘，就像未掺杂的硅一样。当电池的负端连接到n型区域时，该装置仅在一个方向上导电，使得电子被推入p型区域。

在超导电路中传输这种单向电流的能力可以节省大量能源。超导体是在冷却到某个临界温度以下时无电阻导电的材料，在该临界温度下，电子在能量上变得有利于形成电子对，从而不受阻碍地滑过材料的晶格。例如，它们用于为量子计算机和高强度磁铁制造比特。由于超导开关速度特别快，因此超导二极管也可以带来更快的设备。

科学家们已经展示了如何制造超导二极管。2020 年，日本的研究人员观察到超导电流单向流过由三种不同金属组成的薄叠层。这一结果是由于材料的固有特性而不是结的存在而产生的，但是，与其他类似的演示一样，他们的壮举依赖于在材料上施加磁场。

在最新的工作中，荷兰代尔夫特理工大学的Mazhar Ali和欧洲、美国和中国的同事指出，需要这样一个场来执行单向电流流动所必需的对称破缺。2020 年演示中使用的“非中心对称”导体打破了空间对称性，这意味着它可以区分具有正动量和负动量的电子。然而，此外，系统还必须打破时间对称性——允许具有正动量的自旋向上电子与具有负动量的自旋向下电子表现不同。

小组成员Heng Wu和Yaojia Wang现在展示了如何使用一种新型的约瑟夫森结来打破这两种对称性。常规约瑟夫森结由夹在两个超导层之间的非常薄的绝缘（或非超导）层组成。在这种结构中，只要电流保持在一定限度以下，成对的超导电子就可以穿过它们之间的间隙。

新设备取而代之的是一块溴化铌薄片，只有几个原子厚，放置在超导材料二硒化铌层之间。由美国约翰霍普金斯大学的研究小组成员制造的溴化铌是一种与石墨烯类似的二维量子材料，据预测它含有一个净电偶极子——从而表现出制造超导二极管所需的对称性破坏。

通过在低至 20 毫开尔文的温度下进行一系列实验，研究人员证明，当电流沿一个方向流动而在另一个方向上表现出正常的电阻行为时，该设备可以起到超导体的作用。值得注意的是，他们证实不需要磁场来实现这种二极管效应——表明虽然这种效应在零场时存在，但当结暴露在更高的场中时，它会消失。

Ali 及其同事报告说，他们使用在不同实验室分析的不同批次的材料收集了非常相似的数据——让他们相信他们的结果不是由于实验设置的某些人工制品或用户错误造成的。然而，他们并不完全确定这种效应背后的物理机制。他们认为三层器件内的极化会导致与普通二极管的 p-n 结类似的效应，但表示需要进一步的理论和实验工作来证实这一想法。

他们补充说，建造一个实用的设备将涉及用更复杂的超导体代替二硒化铌，该超导体在更高的温度下工作——最好是在 77 K 以上，此时他们可以使用相对便宜的液氮冷却。他们还需要扩大生产规模，从他们为实验室实验制造的少数设备扩大到包含数百万个约瑟夫森二极管的芯片。

如果他们成功了，他们认为他们的技术可以有主要的商业应用。尽管可能过于复杂，无法用于家用计算机，但他们表示，他们的二极管可能非常适合服务器群或超级计算机等集中式设施。“现有的基础设施可以进行调整，而无需花费太多成本来使用基于Josephson二极管的电子产品，”Ali说。

日本东京大学的Toshiya Ideue认为最新的工作是超导二极管发展的“大进步”。他认为，测量具有不同相对方向的超导和非超导量子材料的不同组合的响应可以帮助揭示无场二极管效应所涉及的物理机制，这反过来又会揭示这些材料的其他奇异性质。但他警告说，由这些材料制成的大规模生产设备并不容易。他说，这种制造挑战“必须得到解决才能实际使用”。

参考链接：

https://physicsworld.com/a/scientists-unveil-josephson-diode/

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04504-8

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