可能你對(duì)超導(dǎo)材料并不陌生了，因?yàn)槿祟愄剿饕丫?，但你?tīng)說(shuō)過(guò)超導(dǎo)二極管？不急，且聽(tīng)我慢慢道來(lái)……傳統(tǒng)的二極管，主要是利用異質(zhì)結(jié)（即p-n結(jié)）來(lái)對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)超導(dǎo)效應(yīng)的。
近日，來(lái)自日本京都大學(xué)和大阪大學(xué)的Teruo Ono等人在一個(gè)沒(méi)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(guò)直流電法測(cè)量，可以清楚地觀察到超導(dǎo)向法向過(guò)渡時(shí)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(shí)間反演對(duì)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(gè)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(jiàn)文后原文鏈接）。
【圖文詳解】
超導(dǎo)二極管長(zhǎng)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(duì)稱超晶格，觀察到磁場(chǎng)控制下的超導(dǎo)二極管效應(yīng)(圖1)。通過(guò)直流(d.c.)測(cè)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(zhǎng)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(cè)量(圖1b等)。在物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)(PPMS-3)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，超導(dǎo)磁體施加外磁場(chǎng)，其方向在薄膜平面內(nèi)，垂直于流動(dòng)電流I。這里，電流方向和磁場(chǎng)方向分別定義為x軸和y軸。
首先，研究者測(cè)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(chǎng)設(shè)置為+0.02 T(或- 0.02 T)，在4.2 K時(shí)，連續(xù)測(cè)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(chǎng)可獲得零電阻(約0.0017Ω)，而磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)時(shí)得到了正常阻力(3.76Ω)。當(dāng)再施加一個(gè)負(fù)向的直流電流I?= -6.6 mA時(shí)，開(kāi)關(guān)行為逆轉(zhuǎn)。這一結(jié)果有力地說(shuō)明了超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的切換完全取決于磁場(chǎng)和電流的符號(hào)。
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(cè)量了不同磁場(chǎng)和溫度下薄片電阻的直流依賴性(圖2)。在4.2 K時(shí)的典型測(cè)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(gè)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(diǎn)被定義為臨界電流Ic，并繪制出各種磁場(chǎng)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(hào)是由電流方向和磁場(chǎng)方向的相對(duì)角度唯一決定的，當(dāng)磁場(chǎng)向左時(shí)Ic增大，當(dāng)磁場(chǎng)向右時(shí)Ic減小。
磁場(chǎng)ΔIc的依賴是調(diào)查范圍2.0-4.35 K(圖2 c)。對(duì)于每個(gè)溫度，磁場(chǎng)沿y軸向前掃(+y)和向后掃(- y)的結(jié)果與磁場(chǎng)呈反對(duì)稱關(guān)系；這證實(shí)了ΔIc本質(zhì)上是由磁場(chǎng)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(duì)比。研究者通過(guò)交流電(交流)諧波的測(cè)量，來(lái)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(duì)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(chǎng)。圖3a中，在4.2 K掃面磁場(chǎng)使，Rω和R2ω都進(jìn)行了測(cè)量。R2ω在轉(zhuǎn)換和反對(duì)稱的磁場(chǎng)中得到了極大地增強(qiáng)，當(dāng)磁場(chǎng)正交于電流(±y方向)時(shí)，它極?。划?dāng)磁場(chǎng)平行于電流(+x方向)時(shí)，它幾乎可以忽略不計(jì)。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(gè)直接證據(jù)。
圖3b中，測(cè)量了R2ω的溫度依賴性。觀察到每個(gè)溫度下，R2ω信號(hào)在臨界磁場(chǎng)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(yùn)。
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(shì)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(guò)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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