隨著超導(dǎo)電子學(xué)的發(fā)展以及對新型量子態(tài)的持續(xù)探索，約瑟夫森二極管效應(yīng)因其在超導(dǎo)電路和拓?fù)淞孔悠骷械臐撛趹?yīng)用前景，逐漸成為研究熱點。近年來，該效應(yīng)已在包括拓?fù)浒虢饘佟⑼負(fù)浣^緣體和鐵磁金屬等多種體系中被觀測到。III-V族半導(dǎo)體材料(如 InAs 和 InSb)，具有強自旋軌道耦合(SOI)，在超導(dǎo)近鄰耦合和外加磁場條件下，能夠同時打破空間反演對稱性和時間反演對稱性，從而實現(xiàn)約瑟夫森二極管效應(yīng)。與其他材料相比，InAs、InSb的半導(dǎo)體特性使得其約瑟夫森二極管效應(yīng)具有更優(yōu)越的調(diào)控性。同時，自旋軌道耦合、近鄰超導(dǎo)、塞曼效應(yīng)這些機制也是構(gòu)建拓?fù)涑瑢?dǎo)體的核心要素。因此，本項研究不僅為實現(xiàn)可控約瑟夫森二極管效應(yīng)提供了實驗平臺，也為進一步探索與拓?fù)涑瑢?dǎo)相關(guān)的量子現(xiàn)象創(chuàng)造了條件。
 

　　基于高質(zhì)量 InAs 納米片與鋁超導(dǎo)電極，研究團隊構(gòu)建了平面約瑟夫森結(jié)器件(圖a)，實現(xiàn)了“本征”約瑟夫森二極管效應(yīng)。“本征”是指該效應(yīng)并非源于器件幾何結(jié)構(gòu)或磁通釘扎等外在因素，而是由有限動量配對機制所致。這一結(jié)論得到以下實驗結(jié)果的支持。(1)磁場方向依賴性(圖b)：當(dāng)器件中面內(nèi)磁場方向垂直于偏置電流時，二極管效應(yīng)最為顯著；而在二者平行時，該效應(yīng)幾乎完全消失。這一各向異性特征與有限動量配對的理論預(yù)期一致。(2)磁場強度依賴性(圖c)：該二極管效應(yīng)強度隨磁場增強的演化趨勢也與該機制相符。(3)電場調(diào)控特性(圖d)：該二極管效應(yīng)的強度隨背柵電壓降低而逐漸減弱，并在特定電壓下完全消失。結(jié)合該團隊此前在 InAs 納米片中通過電場調(diào)控Rashba自旋軌道耦合的研究成果，研究人員認(rèn)為器件表現(xiàn)的約瑟夫森二極管效應(yīng)起源于Rashba自旋軌道耦合與塞曼效應(yīng)共同作用下誘導(dǎo)的有限動量配對機制。該研究不僅為理解非互易超導(dǎo)輸運提供了實驗依據(jù)，也為實現(xiàn)柵控拓?fù)涑瑢?dǎo)器件和探索新型量子態(tài)奠定了基礎(chǔ)。
 

　　圖1 (a)InAs-Al 約瑟夫森結(jié)器件的掃描電鏡(SEM)照片(偽彩圖)；圖(b)約瑟夫森二極管效率隨磁場角度變化圖；圖(c)約瑟夫森二極管效應(yīng)隨磁場強度變化圖；圖(d)約瑟夫森二極管效率隨柵極電壓調(diào)控圖。

 

　　該研究工作第一作者為量子院助理研究員顏世莉。共同通訊作者為量子院首席科學(xué)家徐洪起教授、副研究員王積銀和中國科學(xué)院半導(dǎo)體所潘東研究員。其他重要合作者還包括北京大學(xué)博士畢業(yè)生羅毅、蘇海天，量子院博士后高涵、助理研究員吳幸軍，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所趙建華研究員。該工作獲得國家自然科學(xué)基金委項目的支持。