Efekt diody nadprzewodnikowej w złączach Josephsona wykonanych z strukturalnie skręconego nadprzewodnika

Dlaczego jednokierunkowe nadprądy mają znaczenie

Elektronika opiera się na diodach — drobnych elementach, które przepuszczają prąd w jedną stronę, ale blokują go w drugą. Wyobraźmy sobie teraz diodę działającą nie w zwykłych metalach czy półprzewodnikach, lecz w nadprzewodniku, gdzie prąd płynie bez oporu. Taka „dioda nadprzewodnikowa” mogłaby radykalnie zmniejszyć straty energii w obliczeniach i technologiach kwantowych. W artykule badano, czy specjalny rodzaj kryształu, którego atomy tworzą lewo- lub prawoskrętny wzór spiralny, można wykorzystać do zbudowania takiego jednokierunkowego, bezstratnego elementu elektrycznego.

Zakrecanie materii na lewo i prawo

Naukowcy skupili się na materiale o nazwie Mo3Al2C, nadprzewodniku, którego atomy układają się w chiralny, czyli „z dłoniową” strukturę — podobnie jak lewe i prawe dłonie są lustrzanymi odbiciami, ale nie można ich nałożyć na siebie. Kryształy występują w dwóch wersjach lustrzanych: prawoskrętnej i lewoskrętnej. Teoria i wcześniejsze eksperymenty na innych układach chiralnych sugerują, że taka „dłoniowość” może sprawiać, że poruszające się elektrony preferują jeden spin lub kierunek, zjawisko znane jako chirality-induced spin selectivity (selektywność spinowa indukowana chiralnością). Jeśli tę preferencję uda się wykorzystać w nadprzewodniku, mogłaby ona stworzyć wbudowaną kierunkowość dla prądu bez oporu — istotę diody nadprzewodnikowej.

Ściskając kryształy, aby stworzyć superurządzenie

Zamiast stosować atomowo cienkie warstwy, które trudno przygotować dla chiralnych nadprzewodników, zespół użył łupkowych pojedynczych kryształów o naturalnie płaskich powierzchniach. Delikatnie przycisnęli dwa kryształy do siebie tak, by ich powierzchnie utworzyły wąską barierę, jak bardzo cienka izolująca warstwa między dwoma blokami. Obszar kontaktu działa jako złącze Josephsona — słabe ogniwo, przez które pary elektronów mogą tunelować, zachowując jednak spójny nadprąd. Autorzy zbudowali dwa rodzaje urządzeń: takie, w których obie strony miały tę samą dłoniowość (prawe/prawe) oraz takie, w których jedna strona była prawoskrętna, a druga lewoskrętna (prawe/lewe). Następnie schłodzili urządzenia do kilku stopni powyżej zera bezwzględnego i podłączyli je, aby zmierzyć, ile prądu może płynąć, zanim nadprzewodnictwo się załamie.

Obserwowanie reakcji nadprądu na magnetyczne pchnięcie

Aby potwierdzić, że ich przyciśnięte interfejsy rzeczywiście zachowują się jak złącza Josephsona, badacze przyłożyli niewielkie pole magnetyczne równoległe do złącza i śledzili, jak zmienia się maksymalny nadprąd. W idealnych złączach daje to falisty wzór przypominający dyfrakcję światła na szczelinie. Urządzenia prawe/lewe oraz jedno z prawe/prawe wykazały takie oscylacje przypominające Fraunhofera, co wskazuje na prawdziwe zachowanie Josephsona, podczas gdy jedno z prawe/prawe zachowywało się inaczej, prawdopodobnie z powodu niejednorodnego rozkładu prądu. Co istotne, zespół porównał, ile prądu przepływa w kierunku dodatnim (Ic+) w porównaniu z kierunkiem ujemnym (|Ic−|) podczas zamiatania pola magnetycznego i powtarzał pomiary wielokrotnie, by zgromadzić statystyki.

Odnalezienie jednokierunkowego nadprądu

W urządzeniach o mieszanej dłoniowości Ic+ i |Ic−| często się różniły: złącze przewodziło więcej nadprądu w jednym kierunku niż w drugim, z asymetrią sięgającą około 5 procent. Ponadto, wraz ze zmianą pola magnetycznego, preferowany kierunek prądu odwracał się, co pokazuje, że efekt jest modulowalny i odporny, a nie losowym szumem. Dla porównania, kontrolne złącze o tej samej dłoniowości wykazywało niemal identyczne zachowanie dla prądu dodatniego i ujemnego, co wskazuje na brak wewnętrznego efektu diodowego. Inne złącze o tej samej dłoniowości pokazywało przesunięte wzory, które autorzy przypisują zwykłym samowytwarzanym polom magnetycznym, a nie prawdziwej wbudowanej kierunkowości. Poprzez staranne porównanie wszystkich urządzeń argumentują, że tylko interfejs między przeciwnie skręconymi kryształami daje autentyczny efekt diody nadprzewodnikowej pod działaniem pola zewnętrznego.

Co to oznacza dla przyszłej elektroniki

Dla niespecjalistów kluczowe jest to, że proste mechaniczne zestawienie — przyciśnięcie dwóch drobnych, lustrzanych kryształów nadprzewodzących do siebie — może stworzyć urządzenie, w którym prąd bez oporu preferuje jeden kierunek po przyłożeniu małego pola magnetycznego. Takie zachowanie nie pojawia się, gdy oba kryształy mają tę samą dłoniowość, co podkreśla rolę strukturalnej chiralności na złączu. Choć obserwowany efekt jest umiarkowany w porównaniu z niektórymi innymi diodami nadprzewodnikowymi, demonstruje nową platformę: trójwymiarowe, strukturalnie chiralne materiały. Przy lepszej kontroli orientacji kryształów i jakości interfejsu podejście to może doprowadzić do wydajniejszych, kompaktowych elementów nadprzewodnikowych, które kierują nadprąd podobnie jak dzisiejsze diody kierują zwykły prąd elektryczny.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: dioda nadprzewodnikowa, złącze Josephsona, skręcony nadprzewodnik, transport nierozowrotny, selektywność spinowa