Эффект сверхпроводникового диода в джозефсоновских переходах, изготовленных из структурно хирального сверхпроводника

Почему важны односторонние сверхтоки

Электроника опирается на диоды — крошечные компоненты, которые пропускают ток в одну сторону, но блокируют в обратную. Представьте теперь диод, работающий не в обычных металлах или полупроводниках, а в сверхпроводнике, где электричество течёт без сопротивления. Такой «сверхпроводниковый диод» мог бы резко сократить потери энергии в вычислениях и квантовых технологиях. В этой статье исследуется, можно ли использовать особый тип кристалла, атомы которого образуют левую или правую спиральную структуру, чтобы создать такой односторонний безпотерьный электрический элемент.

Как материя закручивается в лево и вправо

Авторы фокусируются на материале Mo3Al2C — сверхпроводнике, чьи атомы располагаются в хиральной, то есть «ручной», структуре — подобно тому, как левая и правая руки являются зеркальными, но не совпадающими. Такие кристаллы выпускаются в двух зеркальных версиях: правой и левой. Теория и предыдущие эксперименты на других хиральных системах показывают, что такая «правша/левша» может заставлять движущиеся электроны предпочитать определённый спин или направление — явление, известное как спин-избирательность, индуцированная хиральностью. Если эту предвзятость удастся задействовать внутри сверхпроводника, она может задать встроенную направленность для тока без сопротивления — суть сверхпроводникового диода.

Прессование кристаллов для создания сверхустройства

Вместо использования атомно тонких слоёв, которые трудно получить из хиральных сверхпроводников, команда применила крупные одиночные кристаллы с естественно плоскими гранями. Они аккуратно прижали два кристалла друг к другу так, чтобы их поверхности образовали узкий барьер, подобный очень тонкой изолирующей плёнке между двумя блоками. Эта контактная область ведёт себя как джозефсоновский переход — слабая связь, через которую пары электронов могут туннелировать, сохраняя когерентность сверхтока. Авторы собрали два типа устройств: с одинаковой хиральностью по обе стороны (прав/прав) и со смешанной хиральностью (прав/лев). Затем устройства охладили до нескольких градусов над абсолютным нулём и подключили для измерения максимального тока, при котором разрушается сверхпроводящее состояние.

Наблюдение реакции сверхтока на магнитное подталкивание

Чтобы подтвердить, что прижатые интерфейсы действительно ведут себя как джозефсоновские переходы, исследователи приложили небольшое магнитное поле параллельно переходу и отслеживали, как меняется максимальный сверхток. В идеальных переходах это даёт волнообразную картину, напоминающую дифракцию света на щели. В устройствах прав/лев и в одном из прав/прав наблюдались такие фраунгофероподобные осцилляции, что свидетельствует о настоящем джозефсоновском поведении, тогда как второй прав/прав прибор вёл себя иначе, вероятно из‑за неравномерного распределения тока. Критически важно, что команда сравнивала максимальный ток в положительном направлении (Ic+) и в отрицательном (|Ic−|), меняя магнитное поле и многократно повторяя измерения для накопления статистики.

Обнаружение одностороннего сверхтока

В устройствах со смешанной хиральностью Ic+ и |Ic−| часто различались: переход пропускал больше сверхтока в одну сторону, чем в другую, с асимметрией до примерно 5 процентов. Более того, при изменении магнитного поля предпочтительное направление тока менялось на противоположное, что указывает на настраиваемый и стойкий эффект, а не на случайный шум. В контрольном устройстве с одинаковой хиральностью поведение для положительного и отрицательного тока было практически одинаковым, что свидетельствует об отсутствии внутреннего диодного эффекта. Другой однородный переход показал скошенные шаблоны, которые авторы приписывают обычным самогенерируемым магнитным полям, а не истинной встроенной направленности. Сопоставив все образцы, они аргументированно утверждают, что лишь интерфейс между кристаллами противоположной хиральности даёт под прикладываемым полем настоящий эффект сверхпроводникового диода.

Что это значит для будущей электроники

Для неспециалистов главный вывод в том, что простая механическая сборка — прижатие двух крошечных зеркально‑симметричных сверхпроводящих кристаллов друг к другу — может создать устройство, в котором ток без сопротивления предпочитает одно направление при приложении небольшого магнитного поля. Такое поведение не наблюдается, когда оба кристалла имеют одинаковую хиральность, что подчёркивает важность структурной хиральности на интерфейсе. Хотя наблюдаемый эффект скромнее, чем у некоторых других сверхпроводниковых диодов, он демонстрирует новую платформу: трёхмерные структурно хиральные материалы. При лучшем контроле ориентации кристаллов и качества интерфейса этот подход может привести к более эффективным компактным сверхпроводниковым компонентам, которые направляют сверхтоки так же, как современные диоды направляют обычные электрические токи.

Цитирование: 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

Ключевые слова: сверхпроводниковый диод, джозефсоновский переход, хиральный сверхпроводник, нерекуперативный транспорт, спин-селективность