科学研究 - 日本利用拓扑物质实现超导二极管

日本理化学研究所（简称“理研”）创发物性科学研究中心强相关物性研究小组的客座研究员安田宪司（麻省理工学院博士研究员）和主任十仓好纪（东京大学研究生院工学系研究科教授）、强相关界面研究小组的主任川崎雅司（东京大学研究生院工学系研究科教授）以及东北大学金属材料研究所的塚崎敦教授等人组成的联合研究小组，在拓扑绝缘体的超导界面观测到了超导电流的整流效应。

为调查拓扑绝缘体的电子状态，联合研究小组着眼于拓扑绝缘体表面态和超导共存的FeTe（Fe：铁、Te：碲）与Bi₂Te₃（Bi：铋、Te：碲）的积层界面。研究小组平行于超导界面（面内）施加磁场并测量电阻发现，仅在部分表达超导的状态下，会出现电阻随着电流方向而变化的整流效应（二极管效应）。通过进行详细测量和理论计算确认，自旋动量锁定的表面态电子实现了特殊的超导状态。

相关研究成果已于6月21日发布在英国在线科学杂志《自然通讯》（Nature Communications）上。

为研究拓扑绝缘体与超导体的相互作用，联合研究小组着眼于FeTe（Fe：铁、Te：碲）与Bi₂Te₃（Bi：铋、Te：碲）的积层界面。研究发现，这两种物质在单体状态下均不具备超导性，但二者的积层界面会表达超导性。另外，这个界面存在拓扑绝缘体表面态，因此很适合用来研究表面态与超导的相互作用。研究小组利用分子束外延法制作了FeTe与Bi₂Te₃的积层结构，在极低温度下测量样品确认，温度约为7K（约-266℃）时，电阻为0，界面出现超导（图1a）。

图1：FeTe与Bi₂Te₃的积层结构的电阻与非互易电阻

为进一步了解超导状态，联合研究小组在平行于界面（面内）施加了磁场的状态下，通过图2红色箭头电流方向下的电阻与蓝色箭头电流方向下的电阻差值对应的非互易电阻测量了整流效应（二极管效应）。在常导状态下，非互易电阻为0，而在部分转变为超导的温度下，会产生有限的非互易电阻，出现整流效应（图1b）。通过测量确认了一项重要性质，即随着磁场方向逆转，非互易电阻的符号也会逆转。这意味着，可以通过外部施加的磁场的方向，控制超导电流容易流动的方向。