Двухрежимный эффект сверхпроводящего диода, включаемый полем в плоскости и перпендикулярно ей

Почему важны однонаправленные сверхпроводники

Электроника опирается на диоды, которые пропускают ток легче в одном направлении, чем в другом. В обычных устройствах это всегда сопровождается потерей энергии в виде тепла. Сверхпроводники, напротив, переносят ток почти без потерь, но обычно одинаково относятся к обоим направлениям тока. В этой работе рассматривается новый тип «сверхпроводящего диода», работающий в двух разных режимах, что обещает элементы с крайне низким энергопотреблением и чувствительностью к направлению для будущих низкоэнергетических и квантовых схем.

Особый сэндвич из ультратонких кристаллов

Исследователи создавали диоды из сложенной пары слоистых кристаллов 2H NbSe2 и 2H NbS2. Каждый материал представляет собой сверхпроводящую плёнку, которую можно отщипывать до толщины в десятки нанометров. Наложив друг на друга пластины сопоставимой толщины, они сформировали вертикальный переход, через который пары электронов туннелируют через интерфейс без сопротивления. Критически важно, что такая «сэндвич»-структура тонко нарушает пространственные симметрии, которые в противном случае заставляли бы ток вести себя одинаково в обоих направлениях, создавая благоприятные условия для диодного эффекта при нарушении симметрии обращения времени магнитным полем.

Два независимых способа включить однонаправленный поток

Большинство ранее описанных сверхпроводящих диодов работают в одном режиме: им требуется магнитное поле в особом направлении — либо перпендикулярно устройству, либо лежащее в его плоскости. В этой работе оба ориентации независимо активируют сильное диодное поведение в одном и том же переходе. Когда магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости и имеет величину всего около одной тысячной теслы, устройство поддерживает больший критический сверхток в одном направлении, чем в противоположном. Поворот поля в плоскость и увеличение его величины примерно в сто раз снова создаёт однонаправленный сверхток с похожей эффективностью — более чем на десять процентов различия между направлениями.

Отпечатки двух разных режимов

Разместив устройство на поворотной платформе, команда могла плавно менять угол между пластинами и магнитным полем. Они измеряли, как максимальный безпотерьный ток в каждом направлении меняется в зависимости от величины и направления поля, и суммировали асимметрию в «коэффициенте эффективности диода». Перпендикулярные поля дали узкие пики эффективности при очень малых полях, в то время как внутриплоскостные поля породили более широкую, почти синусоидальную зависимость при больших полях. При промежуточных углах наклона проявлялись оба шаблона одновременно, что доказывает сосуществование двух режимов, а не артефакты незначительного несовпадения. Зависимость от температуры также различалась: перпендикулярный режим следовал тренду, подобному корню квадратному, ожидаемому из некоторых теорий сверхпроводимости, тогда как внутриплоскостной режим менялся более линейно по мере приближения устройства к его критической температуре.

Как помогают нарушение симметрии и спиновые эффекты

Чтобы понять происхождение этого двойного поведения, авторы моделировали интерфейс как два сверхпроводящих слоя с разными типами спин–орбитальной связи — взаимодействием, связывающим спин электрона с его движением. В этой картине наслоение NbSe2 и NbS2 снижает симметрию на интерфейсе и позволяет двум типам спин–орбитальных эффектов, часто называемым изинг- и рашба-типами, работать совместно. Если ток через переход слегка наклонён, а не строго вертикален, и перпендикулярные, и внутриплоскостные магнитные поля могут смещать импульс пар электронов так, что выигрывает одно направление тока. Расчёты в рамках этой упрощённой модели воспроизводят ключевые особенности эксперимента, включая сопоставимую силу диодного эффекта для обоих направлений поля и необходимость гораздо больших внутриплоскостных полей.

От быстрых переключателей к устойчивым логическим элементам

Наличие двух независимо управляемых режимов в одном сверхпроводящем диоде открывает новые варианты проектирования. Перпендикулярный режим реагирует на чрезвычайно малые поля, которые можно обеспечить локально с помощью крошечных на‑чип наномагнитов, быстро меняющих полярность. Это наводит на мысль о быстром элементе «переключения полярности», предпочитаемое направление тока в котором можно менять по требованию. Внутриплоскостной режим, напротив, требует значительно более сильного поля и относительно нечувствителен к небольшим случайным полям, что делает его привлекательным для высокоточной работы в сложных сверхпроводящих схемах, где важна стабильность. В совокупности эти результаты показывают, что тщательно сконструированные кристаллические стопки могут содержать гибкие, малопотерянные компоненты, превосходящие возможности однорежимных сверхпроводящих диодов.

Цитирование: Guan, H., Yan, C., Zhang, Z. et al. Dual-mode superconducting diode effect enabled by in-plane and out-of-plane magnetic field. Commun Phys 9, 180 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02598-4

Ключевые слова: сверхпроводящий диод, гетероструктура NbSe2 NbS2, спин–орбитальная связь, управление магнитным полем, сверхпроводящая электроника