吕博研究员在“拓扑绝缘体表面的约瑟夫森二极管效应”研究上取得进展

    伴随着半导体器件的小型化，发热等耗散现象愈发严重，其终极原因是通过半导体二极管的电流为耗散电流，因此根本性的解决方案是利用无耗散的电流来制作二极管器件。理论指出，在时-空反演破坏的条件下，超导系统中超流输运具有非互易性。具体地，该非互易性可以在单方向上实现无耗散超流导通，反方向表现为耗散的普通电流，因此超导二极管具有类似半导体二极管的整流特征。2020年，日本京都大学Teruo Ono研究组在Nb/V/Ta超晶格超导体中通过外加磁场首次观测到了超导二极管现象^[1]。而无磁场的超导二极管效应由荷兰代尔夫特理工大学Mazhar Ali研究组于2022年在NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂范德华异质结构中实现^[2]，即约瑟夫森二极管。超导/约瑟夫森二极管具有很多潜在应用价值，比如量子计算机等，因此引起了国内外理论和实验的广泛关注，是后摩尔时代可能改变电子工业面貌的一个重要的机遇。

    在此背景下，天津大学理学院吕博研究员与日本理化学研究所N. Nagaosa教授，名古屋大学的Y. Tanaka教授，S. Ikegaya博士，以及马德里自治大学的P. Burset博士展开合作，对三维拓扑绝缘体表面的约瑟夫森二极管效应进行了深入的理论研究。 该工作不但证实了高维拓扑超导系统存在非互易输运性质，而且指出与一维系统不同，高维系统其内在通道之间可以具有迥异的电流-相位关系，通过改变磁场，门电压，以及结区长度等方法，可以促成高维拓扑超导系统的二极管极性发生改变，实现可调控的超导二极管系统。该工作与近期发现的高维超导二极管极性变化的实验结果相一致^[3], 为进一步设计相关器件提供了理论基础与指导意义。相关研究成果《Tunable Josephson Diode Effect on the Surface of Topological Insulators》已发表在国际知名期刊Physical Review Letters（DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.096001）^[4]。该论文第一作者，通讯作者为吕博研究员。量子交叉研究中心，天津市低维功能材料物理与制备技术重点实验室，天津大学物理系为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金、天津自然科学基金的资助。

图：（a）装置示意图。（b）电流-相位关系。m_y为面内Zeeman磁势。（c）正向电流与反向电流随面外磁场变化的夫琅禾费图样。（d）品质因子Q随m_y的变化，其大小和正负极性均可以被调控。

参考文献：

[1] F. Ando, Y. Miyasaka, T. Li, J. Ishizuka, T. Arakawa, Y. Shiota, T. Moriyama, Y. Yanase, and T. Ono, Nature (London) 584, 373 (2020).

[2] H. Wu, Y. Wang, Y. Xu, P. Sivakumar, C. Pasco, U. Filippozzi, S. Parkin, Y. Zeng, T. McQueen, and M. Ali, Nature (London) 604, 653 (2022).

[3] A. Costa, C. Baumgartner, S. Reinhardt, J. Berger, S. Gronin, G. Gardner, T. Lindemann, M. Manfra, D. Kochan, J. Fabian, N. Paradiso, and C. Strunk, Nat. Nanotechnol. (2023).

[4] B. Lu, S. Ikegaya, P. Burset, Y. Tanaka, and N. Nagaosa, Phys. Rev. Lett. 131.096001 (2023).