Het supergeleidende diodeneffect in Josephson-koppelingen gefabriceerd uit een structureel chirale supergeleider

Waarom eendrichtings-superstromen ertoe doen

Elektronica is afhankelijk van diodes—kleine componenten die stroom slechts in één richting doorlaten. Stel je nu een diode voor die niet in gewone metalen of halfgeleiders werkt, maar in een supergeleider, waar elektriciteit zonder weerstand kan stromen. Zo’n “supergeleidende diode” zou het energieverlies in reken- en kwantumtechnologieën aanzienlijk kunnen terugdringen. Dit artikel onderzoekt of een speciaal type kristal, waarvan de atomen een links- of rechtshandig spiraalpatroon vormen, gebruikt kan worden om een dergelijk eendrichtings, verliesloos elektrisch element te bouwen.

Materie links- en rechtsom draaien

De onderzoekers richten zich op een materiaal genaamd Mo3Al2C, een supergeleider waarvan de atomen in een chirale, of gehandeerde, structuur gerangschikt zijn—net zoals je linker- en rechterhand elkaars spiegelbeeld zijn maar niet samenvallen. Deze kristallen komen in twee spiegelversies: rechtshandig en linkshandig. Theorie en eerdere experimenten in andere chirale systemen suggereren dat zo’n gehandeerdheid ertoe kan leiden dat bewegende elektronen de voorkeur geven aan een bepaalde spin of richting, een verschijnsel dat bekendstaat als chirality-induced spin selectivity. Als die voorkeur in een supergeleider benut kon worden, zou dat een ingebouwde richtinggevoeligheid voor weerstandsvrije stroom kunnen opleveren, de kern van een supergeleidende diode.

Kristallen samenpersen om een superapparaat te maken

In plaats van atomaire dunne lagen te gebruiken, die moeilijk te vervaardigen zijn bij chirale supergeleiders, gebruikte het team bulk-enkelkristallen met van nature vlakke vlakken. Ze drukten twee kristallen zachtjes tegen elkaar zodat hun oppervlakken een smalle barrière vormden, als een zeer dun isolerend laagje tussen twee blokken. Dit contactgebied fungeert als een Josephson-koppeling—een zwakke schakel waardoor elektronenparen kunnen tunnelen terwijl ze zich nog steeds gedragen als een coherente superstroom. De auteurs bouwden twee typen apparaten: apparaten waarbij beide zijden dezelfde gehandeerdheid hadden (rechts/rechts) en apparaten waarbij de ene zijde rechtshandig en de andere linkshandig was (rechts/links). Vervolgens koelden ze de apparaten tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt en sloegen ze ze elektrisch aan om te meten hoeveel stroom kon vloeien voordat de supergeleidende toestand instortte.

De superstroom zien reageren op een magnetische zet

Om te bevestigen dat hun geperste interfaces zich inderdaad als Josephson-koppelingen gedroegen, brachten de onderzoekers een klein magnetisch veld aan parallel aan de koppeling en volgden hoe de maximale superstroom veranderde. In ideale koppelingen levert dit een golfachtig patroon op, vergelijkbaar met licht dat door een spleet diffracteert. De rechts/links- en één van de rechts/rechts-apparaten toonden zulke Fraunhofer-achtige oscillaties, wat wijst op echt Josephson-gedrag, terwijl een ander rechts/rechts-apparaat zich anders gedroeg, waarschijnlijk door een niet-uniforme stroomverdeling. Cruciaal was dat het team vergeleek hoeveel stroom in de positieve richting (Ic+) kon vloeien versus de negatieve richting (|Ic−|) terwijl ze het magnetische veld scanden en de metingen veelvuldig herhaalden om statistiek op te bouwen.

Het vinden van de eendrichtings-superstroom

In de gemengdhande apparaten waren Ic+ en |Ic−| op veel waarden van het magnetische veld niet gelijk: de koppeling voerde meer superstroom in de ene richting dan in de andere, met een asymmetrie tot ongeveer 5 procent. Bovendien keerde de voorkeur voor richting zich om naarmate het magnetische veld veranderde, wat aantoont dat het effect instelbaar en robuust was in plaats van willekeurige ruis. Ter vergelijking toonde het gelijkshandige controle-apparaat vrijwel identiek gedrag voor positieve en negatieve stroom, wat wijst op afwezigheid van een intrinsiek diodeneffect. Een ander gelijkshandig apparaat vertoonde scheve patronen die de auteurs toeschrijven aan gewone zelfgegenereerde magnetische velden, niet aan een echte ingebouwde richtinggevoeligheid. Door alle apparaten zorgvuldig te vergelijken, betogen ze dat alleen het grensvlak tussen tegengesteld gehande kristallen onder een aangelegd veld een daadwerkelijk supergeleidende diode-effect produceert.

Betekenis voor toekomstige elektronica

Voor niet-specialisten is de belangrijkste conclusie dat een eenvoudige mechanische samenstelling—twee kleine, spiegelbeeldige supergeleidende kristallen tegen elkaar persen—een apparaat kan creëren waarin weerstandsvrije stroom de voorkeur geeft aan één richting wanneer een klein magnetisch veld wordt aangelegd. Dit gedrag verschijnt niet wanneer de twee kristallen dezelfde gehandeerdheid delen, wat wijst op het belang van structurele chiraleheid in de koppeling. Hoewel het waargenomen effect bescheiden is vergeleken met sommige andere supergeleidende diodes, demonstreert het een nieuw platform: driedimensionale, structureel chirale materialen. Met betere controle over kristaloriëntatie en interfacekwaliteit zou deze aanpak kunnen leiden tot efficiëntere, compacte supergeleidende componenten die superstromen sturen zoals huidige diodes gewone elektrische stromen sturen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: supergeleidende diode, Josephson-koppeling, chirale supergeleider, niet-reciproke transport, spinselectiviteit