Den supraledande diod-effekten i Josephson-kopplingar tillverkade av en strukturellt kiral supraledare

Varför envägs supraströmmar spelar roll

Elektronik är beroende av dioder—små komponenter som låter ström flyta åt ena hållet men inte åt det andra. Föreställ dig nu en diod som inte fungerar i vanliga metaller eller halvledare, utan i en supraledare, där elektricitet kan flöda utan resistans. En sådan ”supraledande diod” skulle kunna minska energiförluster dramatiskt inom beräkningsteknik och kvantteknologi. Denna artikel undersöker om en speciell typ av kristall, där atomerna bildar ett vänster- eller högervridet spiralformat mönster, kan användas för att bygga ett sådant envägs, förlustfritt elektriskt element.

Vridning av materia till vänster och höger

Forskarlaget fokuserar på ett material som kallas Mo3Al2C, en supraledare vars atomer arrangerar sig i ett kiralt, eller handat, mönster—likt hur din vänstra och högra hand är spegelbilder men inte kan läggas ovanpå varandra. Dessa kristaller förekommer i två spegelvända versioner: högerhänta och vänsterhänta. Teori och tidigare experiment på andra kirala system tyder på att sådan handhet kan få rörliga elektroner att föredra en viss spinn- eller rörelseriktning, ett fenomen känt som chirality-induced spin selectivity. Om den biasen kan utnyttjas inne i en supraledare kan det skapa en inbyggd riktning för resistansfri ström — kärnan i en supraledande diod.

Trycka kristaller för att skapa en superenhet

Istället för att använda atomtunna skikt, som är svåra att framställa med kirala supraledare, använde teamet bulk-enkristaller med naturligt plana ytor. De pressade försiktigt två kristaller mot varandra så att deras ytor bildade en smal barriär, liknande en mycket tunn isolerande film mellan två block. Denna kontaktregion fungerar som en Josephson-koppling—en svag länk genom vilken par av elektroner kan tunna medan de fortfarande beter sig som en koherent supraström. Författarna byggde två typer av enheter: sådana där båda sidorna hade samma handhet (höger/höger) och sådana där ena sidan var högerhänt och den andra vänsterhänt (höger/vänster). De kylde sedan ned enheterna till några få grader över absoluta nollpunkten och kopplade upp dem för att mäta hur mycket ström som kunde flyta innan supraledningstillståndet kollapsade.

Att observera supraströmmen reagera på en magnetisk knuff

För att bekräfta att deras pressade gränssnitt verkligen uppförde sig som Josephson-kopplingar applicerade forskarna ett svagt magnetfält parallellt med kopplingen och följde hur maximal supraström ändrade sig. I idealiska kopplingar ger detta ett vågliknande mönster som påminner om ljus som diffrakterar genom en springa. Höger/vänster- och en av höger/höger-enheterna visade sådana Fraunhofer-liknande svängningar, vilket signalerade genuint Josephson-beteende, medan en höger/höger-enhet uppträdde annorlunda, sannolikt på grund av en icke-uniform strömfördelning. Avgörande jämförde teamet hur mycket ström som kunde flyta i den positiva riktningen (Ic+) respektive den negativa riktningen (|Ic−|) medan de svepte magnetfältet och upprepade mätningarna många gånger för att bygga upp statistik.

Att hitta envägs supraströmmen

I de blandade-handhets-enheterna var Ic+ och |Ic−| inte desamma vid många magnetfältsvärden: kopplingen bar mer supraström åt ett håll än åt det andra, med en asymmetri på upp till cirka 5 procent. Dessutom, när magnetfältet ändrades, bytte den föredragna strömriktningen, vilket visade att effekten var ställbar och robust snarare än slumpmässigt brus. I kontrast visade kontrollen med samma handhet nästan identiskt beteende för positiv och negativ ström, vilket indikerar ingen intrinsisk diodeffekt. En annan samma-handhetskoppling visade sneda mönster som författarna tillskriver vanliga självgenererade magnetfält, inte en verklig inbyggd riktning. Genom noggranna jämförelser av alla enheter argumenterar de för att endast gränsytan mellan motsatt-handade kristaller producerar en genuin supraledande diodeffekt under applicerat fält.

Vad detta betyder för framtidens elektronik

För icke-specialister är huvudpoängen att en enkel mekanisk sammansättning—att pressa ihop två små, spegelvända supraledande kristaller—kan skapa en enhet där resistansfri ström föredrar en riktning när ett svagt magnetfält appliceras. Detta beteende framträder inte när de två kristallerna har samma handhet, vilket pekar på betydelsen av strukturell kiralitet vid gränsytan. Även om den observerade effekten är modest jämfört med vissa andra supraledande dioder, demonstrerar den en ny plattform: tredimensionella, strukturellt kirala material. Med bättre kontroll över kristallorientering och gränssnittskvalitet skulle detta tillvägagångssätt kunna leda till effektivare, kompakta supraledande komponenter som styr supraströmmar på samma sätt som dagens dioder styr vanliga elektriska strömmar.

Citering: 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

Nyckelord: supraledande diod, Josephson-koppling, kiral supraledare, icke-reciprok transport, spinnselektivitet