אפקט השנאי-על במעגלי ג'וזפסון המיוצרים מסופרמוליך מבני כירלי

מדוע זרמי-על חד-כיווניים חשובים

אלקטרוניקה מתבססת על דיודות—רכיבים זעירים שמאפשרים לזרם לעבור בכיוון אחד אך חוסמים אותו בכיוון ההפוך. דמיינו כעת דיודה שאינה פועלת במתכות רגילות או בחומרי מוליכים למחצה, אלא בסופרמוליך, שבו חשמל זורם ללא התנגדות. "דיודה סופרמוליכה" כזו יכולה להפחית באופן דרמטי את אובדן האנרגיה במחשוב ובטכנולוגיות קוונטיות. המאמר בוחן האם סוג מיוחד של גביש, שבו האטומים מסודרים בדפוס ספירלי עם ידיות שמאלית או ימנית, יכול לשמש לבניית רכיב חד-כיווני חסר-אובדן כזה.

לסובב את החומר לשמאל ולימין

החוקרים התרכזו בחומר הקרוי Mo3Al2C, סופרמוליך שבו האטומים מסודרים בדפוס כירלי, או בעל "ידיות"—כמו יד שמאל וימין שהן תמונות מראה שאינן חופפות. גבישים אלה קיימים בשתי וריאציות מראה: ימנית ושמאלית. תיאוריה וניסויים קודמים במערכות כירליות אחרות מצביעים על כך שידיות זו עשויה להעדיף סיבוב או כיוון ספין מסוים של אלקטרונים, תופעה הנקראת סלקטיביות ספין-כירלית. אם הטיה כזו ניתן למנף בתוך סופרמוליך, היא עשויה ליצור כימתוּת פנימית לזרם חסר-התנגדות — מהות הדיודה הסופרמוליכה.

ללחוץ גבישים וליצור מכשיר סופר

במקום להשתמש בשכבות דקות באופן אטומי, שקשה להכין עם סופרמוליכים כירליים, הצוות השתמש בגבישים חד-בלוריים גדולים עם משטחים שטוחים מטבעם. הם לחצו בעדינות שני גבישים זה על זה כך שמשטחיהם יצרו מחסום צר, בדומה לסרט מבודד דק בין שני גושים. אזור המגע הזה מתנהג כמפרק ג'וזפסון—קישור חלש דרכו זוגות אלקטרונים יכולים לבצע מנהור בעודם מתנהגים כזרם-על קוהרנטי. המחברים בנו שני סוגי מכשירים: כאלה שבהם לשני הצדדים הייתה אותה ידיות (ימני/ימני) ואלו שבהם צד אחד היה ימני והצד השני שמאלי (ימני/שמאלי). לאחר מכן קיררו את המכשירים לכמה מעלות מעל אפס מוחלט וחיברו אותם למדידה של הזרם המקסימלי שיכול לעבור לפני שהתכונה הסופרמוליכה מתנתקת.

צפייה בתגובת זרם-העל לדחיפה מגנטית

כדי לאשר שממשקי הלחיצה התנהגו כמפרקי ג'וזפסון, החוקרים יישמו שדה מגנטי קטן המקביל למישור המפרק ועקבו כיצד משתנה הזרם-על המקסימלי. במפרקים אידיאליים זה יוצר תבנית מחזורית המזכירה התאבכות של אור החולף דרך חריץ. המכשירים ימני/שמאלי ואחד מהמכשירים ימני/ימני הראו התנודות הדומות ל-Fraunhofer, סימן להתנהגות ג'וזפסון אותנטית, בעוד שמכשיר ימני/ימני נוסף הראה התנהגות שונה, ככל הנראה עקב חלוקת זרם לא אחידה. באופן מכריע, הצוות השווה כמה זרם יכל לעבור בכיוון החיובי (Ic+) מול בכיוון השלילי (|Ic−|) בזמן שסרקו את השדה המגנטי וחזרו על המדידות פעמים רבות כדי לצבור סטטיסטיקה.

גילוי הזרם-על החד-כיווני

במכשירים המעורבים בידיות שונות, Ic+ ו-|Ic−| לא היו שווים בערכי שדה מגנטי רבים: המפרק נשא יותר זרם-על בכיוון אחד מאשר בכיוון השני, עם אי-סימטריה של עד כ־5 אחוז. יתר על כן, כשהשדה המגנטי השתנה, כיוון ההעדפה של הזרם הפך, מה שמראה שהאפקט ניתן לכוונון ויציב ולא רעש אקראי. לעומת זאת, מכשיר הבקרה בעל אותה ידיות הראה התנהגות כמעט זהה לזרם החיובי והשלילי, מה שמעיד על היעדר אפקט דיודה פנימי. מפרק ימני/ימני נוסף הראה תבניות מעוותות שהמחברים מייחסים לשדות מגנטיים הנוצרים באופן עצמוני, לא לכיווניות פנימית אמיתית. באמצעות השוואה זהירה בין כל המכשירים הם טוענים שרק הממשק בין גבישים בעלי ידיות הפוכות מייצר אפקט דיודה סופרמוליכה אמיתי תחת שדה חיצוני.

מה משמעות הדבר לאלקטרוניקה העתידית

עבור לא-מומחים, המסקנה המרכזית היא שהרכבה מכנית פשוטה—לחיצה של שני גבישים סופרמוליכים זעירים בתמונת מראה זה על זה—יכולה ליצור מכשיר שבו זרם חסר-התנגדות מעדיף כיוון אחד כאשר מוחל שדה מגנטי קטן. התנהגות זו אינה מופיעה כאשר שני הגבישים חולקים את אותה ידיות, מה שמצביע על חשיבות הכירליות המבנית בממשק. למרות שהאפקט הנצפה צנוע בהשוואה לחלק מהדיודות הסופרמוליכות האחרות, הוא מדגים פלטפורמה חדשה: חומרים כירליים תלת-ממדיים. עם שליטה טובה יותר בכיווניות הגביש ובאיכות הממשק, גישה זו עשויה להוליך לרכיבים סופרמוליכים קומפקטיים ויעילים יותר שמנווטים זרמי-על באותו אופן שבו דיודות של היום מנווטות זרמים חשמליים רגילים.

ציטוט: Orban, P.T., Bassen, G., Crites, E.N. et al. The superconducting diode effect in Josephson junctions fabricated from a structurally chiral superconductor. Commun Phys 9, 124 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02564-0

מילות מפתח: דיודה סופרמוליכה, מפרק ג'וזפסון, סופרמוליך כירלי, הובלה לא-הדדית, מיון ספין