【儀表網 研發快訊】近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)半導體量子計算團隊基于高品質半導體砷化銦(InAs)納米片和超導鋁電極構造了平面約瑟夫森結器件，在該結構中觀測到可通過柵電壓調控的約瑟夫森二極管效應(Josephson Diode Effect)或超導二極管效應(Superconducting Diode Effect)，揭示了觀察到的效應起源于Rashba自旋軌道耦合與塞曼效應共同作用誘導產生的有限動量配對機制。2025年5月2日，相關成果以“Gate Tunable Josephson Diode Effect in Josephson Junctions Made from InAs Nanosheets”為題，在線發表在《Advanced Functional Materials》上。
隨著超導電子學的發展以及對新型量子態的持續探索，約瑟夫森二極管效應因其在超導電路和拓撲量子器件中的潛在應用前景，逐漸成為研究熱點。近年來，該效應已在包括拓撲半金屬、拓撲絕緣體和鐵磁金屬等多種體系中被觀測到。III-V族半導體材料(如 InAs 和 InSb)，具有強自旋軌道耦合(SOI)，在超導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，從而實現約瑟夫森二極管效應。與其他材料相比，InAs、InSb的半導體特性使得其約瑟夫森二極管效應具有更優越的調控性。同時，自旋軌道耦合、近鄰超導、塞曼效應這些機制也是構建拓撲超導體的核心要素。因此，本項研究不僅為實現可控約瑟夫森二極管效應提供了實驗平臺，也為進一步探索與拓撲超導相關的量子現象創造了條件。
基于高質量 InAs 納米片與鋁超導電極，研究團隊構建了平面約瑟夫森結器件(圖a)，實現了“本征”約瑟夫森二極管效應。“本征”是指該效應并非源于器件幾何結構或磁通釘扎等外在因素，而是由有限動量配對機制所致。這一結論得到以下實驗結果的支持。(1)磁場方向依賴性(圖b)：當器件中面內磁場方向垂直于偏置電流時，二極管效應最為顯著；而在二者平行時，該效應幾乎完全消失。這一各向異性特征與有限動量配對的理論預期一致。(2)磁場強度依賴性(圖c)：該二極管效應強度隨磁場增強的演化趨勢也與該機制相符。(3)電場調控特性(圖d)：該二極管效應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。結合該團隊此前在 InAs 納米片中通過電場調控Rashba自旋軌道耦合的研究成果，研究人員認為器件表現的約瑟夫森二極管效應起源于Rashba自旋軌道耦合與塞曼效應共同作用下誘導的有限動量配對機制。該研究不僅為理解非互易超導輸運提供了實驗依據，也為實現柵控拓撲超導器件和探索新型量子態奠定了基礎。
圖1 (a)InAs-Al 約瑟夫森結器件的掃描電鏡(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家徐洪起教授、副研究員王積銀和中國科學院半導體所潘東研究員。其他重要合作者還包括北京大學博士畢業生羅毅、蘇海天，量子院博士后高涵、助理研究員吳幸軍，中國科學院半導體所趙建華研究員。該工作獲得國家自然科學基金委項目的支持。
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