由面内和面外磁场启用的双模式超导二极管效应

为什么单向超导体很重要

电子学依赖于让电流更容易单向流动的二极管。常规器件在实现这一点时总会损耗能量并产生热量。相比之下，超导体可以几乎无损地传输电流，但通常对两个方向一视同仁。这项研究探索了一种新型“超导二极管”，具有两种不同的工作模式，承诺为未来的低功耗和量子电路提供超高效率、具方向敏感性的元件。

一种由超薄晶体构成的特殊三明治结构

研究人员用堆叠的层状晶体对 2H NbSe2 和 2H NbS2 制作了他们的二极管。每种材料都是可以剥离成几十纳米厚薄片的超导薄层。将厚度相近的薄片叠放在一起，形成了一个垂直结，电子对能在界面处无阻隧穿。关键在于，这种三明治结构在细微层面上打破了空间对称性，否则这些对称性会迫使电流在两个方向上表现相同；一旦时间反演对称性也被磁场扰动，便为二极管式的单向行为创造了条件。

两种独立触发单向流的途径

此前报道的大多数超导二极管只在单一模式下工作：它们需要沿着某一特定方向的磁场，要么垂直穿过器件，要么沿着器件平面。在这项工作中，两种取向各自独立地在同一结中激活了强烈的二极管行为。当磁场指向面外且强度仅约为千分之一特斯拉时，器件在一个方向上支持的临界超流要比相反方向大。将磁场旋转到面内并将其强度增大约一百倍，同样会产生单向超流，两个方向之间的效率差异仍然超过约百分之十，具有类似的表现。

两种不同模式的指纹特征

通过将器件安装在可旋转平台上，团队能够平滑地改变薄片与磁场之间的夹角。他们测量了每个方向上的最大无损电流如何随磁场强度和方向变化，并用“二极管效率”来总结这种不对称性。面外磁场在非常小的场强处产生了效率的狭窄峰值，而面内磁场则在较大场强下给出更宽、近似正弦形的模式。在中等倾角处，两个模式同时出现，证明这两种模式是共存的，而不是由轻微错位引起的伪像。温度依赖性也不同：面外模式遵循某些超导理论预期的平方根型趋势，而面内模式在器件接近其临界温度时则更呈线性变化。

破缺对称性与自旋效应如何助力

为理解这种双重行为的起源，作者将界面建模为具有不同自旋轨道耦合类型的两层超导体，自旋轨道耦合是一种将电子自旋与其运动联系起来的相互作用。在这一图景中，堆叠 NbSe2 与 NbS2 降低了界面的对称性，并允许两种自旋轨道效应（常称为伊辛型和拉什巴型）共同作用。如果穿过结的电流不是完全垂直而是略有倾斜，面外和面内磁场都可以以有利于某一方向流动的方式改变成对电子的动量。该简化模型内的计算再现了实验的关键特征，包括对两种场向量相比拟的二极管强度以及面内场需要大得多的观察。

从高速开关到稳定的逻辑元件

在同一超导二极管中拥有两种可独立寻址的模式为设计提供了新选项。面外模式响应极小的磁场，这些磁场可以由可在芯片上局部布置的小型纳米磁体提供，并以高速切换极性。这提示了一种快速的“极性翻转”元件，其优选电流方向可按需改变。相比之下，面内模式需要更强的磁场且对微小杂散场不太敏感，使其在复杂超导电路中对高保真操作和稳定性尤为吸引。总体而言，这些结果表明，经过精心设计的晶体堆叠能够承载灵活、低损的器件，超出了单模式超导二极管的功能。

引用: 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

关键词: 超导二极管, NbSe2 NbS2 异质结构, 自旋轨道耦合, 磁场控制, 超导电子学