科学研究 - 京大等发现仅一个方向零电阻的超导二极管效应

日本京都大学化学研究所的小野辉男教授和安藤冬希博士生（当时）等人组成的研究团队，与该校理学研究科的柳濑阳一教授，以及大阪大学理学研究科的荒川智纪助教等人合作，首次在具有非对称结构的超导人工晶格中，观测到了仅在一个方向上电阻为零的超导二极管效应。

二极管是一种能在正向顺利导通电流，而反向几乎无法导通电流的元件，整流器、混合器和光检测器等很多电子部件都用到了半导体二极管。不过，由于半导体具有一定的电阻，而不是彻底的零电阻，所以无法避免各部件的能量损失问题。因此，如何使电阻为零的超导体而非半导体具备二极管的特性、即如何实现超导二极管成了一个重要研究方向。

此次研究发现，在由铌（Nb）层、钒（V）层和钽（Ta）层构成的非对称结构超导人工晶格中，临界电流的大小取决于电流方向，并验证了超导二极管效应。该成果有助于实现能量损失极小的电子电路。

作为空间反演对称性破缺的超导体，此次研究利用溅射法形成了由Nb、V和Ta构成的人工晶格。研究团队将该薄膜样本加工成细线形状，并像图 1（a）那样，以采用电流源和电压计的实验配置测量了4个端子的电阻。在薄膜面内与电流正交的方向施加外部磁场，调查了电阻对直流电流的依赖性，结果如图1（b）所示。调查发现，Nb/V/Ta人工晶格的临界电流因施加电流的方向而异。另外，正向（实线）和反向（虚线）临界电流的大小关系由外部磁场的符号决定。

图1：（a）采用Nb/V/Ta人工晶格的样本的光学显微镜图像与测量4端子电阻的实验配置。空间反演对称性破缺的是薄膜积层方向，与施加的电流及外部磁场分别正交。（b）在4.2K的温度下测量的电阻的直流电流依赖性。在某个阈值电流（临界电流）下，超导被破坏，产生有限的电阻，但正向（实线）和反向（虚线）的临界电流不同。正向与反向的临界电流的大小关系由外部磁场符号决定。

接下来，研究团队利用这种非相反的临界电流证明，可以根据电流方向和磁场方向在超导与常导之间切换（图 2）。这意味着，Nb/V/Ta人工晶格能作为超导二极管工作。可以在相对比较小的0.02T（特斯拉）磁场下切换二极管的方向。