由结构手性超导体制成的约瑟夫森结中的超导二极管效应

为何单向超电流重要

电子学离不开二极管——这些小器件允许电流单向流动而阻止反向流动。现在设想一种二极管不是在普通金属或半导体中工作，而是在超导体中工作，在那里电流可以无阻力地流动。这类“超导二极管”有望显著降低计算和量子技术中的能量损耗。本文探讨了一种特殊晶体——其原子排列成左旋或右旋螺旋图案的材料——是否可用于构建这种单向、无损耗的电元件。

将物质扭成左与右

研究者关注的材料是Mo3Al2C，这是一种其原子排布呈手性或有“左右手性”模式的超导体——类似左右手是镜像但不可重合的关系。这类晶体有两种镜像版本：右旋和左旋。理论以及早期在其他手性体系上的实验表明，这类手性可以使运动的电子在自旋或运动方向上产生偏好，这一现象称为手性诱导自旋选择性。如果这种偏好能在超导体内部被利用，就可能在无阻力电流中产生内在的方向性，即超导二极管的本质。

将晶体压合以制造超导器件

研究团队没有使用原子级薄层（在手性超导体中难以制造），而是使用具有天然平整面的块体单晶。他们将两块晶体轻轻压合，使其表面形成一条狭窄的障碍层，类似于两个块体之间的极薄绝缘膜。该接触区域充当约瑟夫森结——对电子对可以穿隧通过的弱连接，同时仍表现为相干的超电流。作者制造了两种器件：两侧手性相同（右/右）和一侧右旋、一侧左旋（右/左）。然后他们将器件冷却到接近绝对零度的几度，并连接电路以测量在超导态被破坏前能流动的最大电流。

观察超电流对磁场推动的响应

为确认这些压合界面确实表现为约瑟夫森结，研究者沿结面施加了小的平行磁场并追踪最大超电流如何变化。在理想的结中，这会产生类似光通过狭缝衍射的波纹状图样。右/左器件以及其中一个右/右器件显示出了这种类Fraunhofer振荡，表明确为约瑟夫森行为，而另一个右/右器件表现不同，可能是由于电流分布不均。关键在于，团队比较了在扫磁并多次重复测量以积累统计数据时，正向（Ic+）与反向（|Ic−|）的可承载电流有何不同。

发现单向超电流

在混合手性器件中，Ic+ 与 |Ic−| 在许多磁场值下并不相同：结在一个方向上能承载的超电流比另一个方向更多，最大不对称度约为5%。此外，随着磁场变化，电流的优选方向会翻转，表明该效应是可调且稳健的，而非随机噪声。相比之下，同手性对照器件在正负电流下表现几乎相同，表明没有内在的二极管效应。另一只同手性结显示出偏斜的图样，作者将其归因于普通的自生磁场，而非真实的内在方向性。通过对所有器件的细致比较，他们认为只有异手性晶体之间的界面在外加磁场下产生了真正的超导二极管效应。

对未来电子学的意义

对非专业读者而言，关键结论是：一种简单的机械组合——将两块微小的镜像超导单晶压合在一起——能够在施加小磁场时构成一个电流在无阻状态下偏好单一方向流动的器件。这种行为在两晶体手性相同时并未出现，突显了结处结构手性的关键作用。尽管所观察到的效应较一些其他超导二极管而言幅度有限，但它展示了一个新平台：三维结构手性材料。通过更好地控制晶体取向和界面质量，这一方法可能引导出更高效、体积更小的超导元件，使超电流像今日二极管控制普通电流那样被引导。

引用: 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

关键词: 超导二极管, 约瑟夫森结, 手性超导体, 非互易传输, 自旋选择性