研究背景

非互易输运是理解对称性破缺与新奇量子态的重要物理现象，其典型应用体现于半导体 p-n 结：界面处空间反演对称性破缺使电流呈现方向选择性，从而奠定了传统二极管的工作基础。在非中心对称或手性导体中，当外加磁场进一步破坏时间反演对称性时，体系还可通过磁手性各向异性表现出非互易输运。进入超导体系后，相关能标由超导能隙而非费米能级主导，使超导涨落区中的非互易响应相较正常态可获得显著增强。超导二极管效应（superconducting diode effect，SDE）正是在这一背景下发展起来的超导非互易现象：其表现为正、反方向临界超电流不相等，从而允许超电流在特定窗口内可沿一个方向无耗散传输，而在相反方向进入耗散态。尽管 SDE 的概念早在 2007 年便已基于约瑟夫森结提出，直到 2020 年其在非中心对称 ([Nb/V/Ta]n) 人工超晶格中获得明确实验实现后，才迅速成为超导输运研究的重要前沿。

近年来，SDE 已在手性超导体、强自旋轨道耦合体系、约瑟夫森结和超导薄膜等多类体系中被观测到，显示出丰富的材料基础与物理来源。通常而言，这一效应需要空间反演对称性破缺，同时需要外磁场、内部磁化或自发手性序等机制破缺时间反演对称性。因此，SDE 既是低耗散超导整流和超导逻辑器件的候选基础，也正在成为识别有限动量配对、拓扑超导、手性超导和其他非常规超导态的灵敏输运探针。

文章概述

近日，西湖大学林效课题组在 Advanced Physics Research 发表综述文章，系统梳理了超导二极管效应的物理机制、材料体系与潜在应用。文章以材料性质和对称性破缺为主线，将实验进展分为有限磁场和零磁场两类情形，讨论了人工超晶格、约瑟夫森结、二维超导薄膜、磁性异质结构、极性结构以及高温超导体系中的代表性结果，并进一步比较了不同器件的整流效率、整流比、可调控性和工作温度。

理论模型

为理解 SDE 的物理起源，综述首先概括了三类主要机制：有限动量库珀配对、非对称涡旋动力学，以及约瑟夫森结中的非常规电流-相位关系。

图1.超导二极管效应的主要机制：有限动量库珀配对与涡旋动力学。a，Rashba 自旋轨道耦合与面内磁场诱导有限动量库珀配对；b，有限动量配对导致正、反临界电流和临界磁场不对称；c，边界缺陷诱导涡旋非对称进入；d，共形纳米孔阵列 MoGe 微桥中的非对称临界电流；e，磁性点阵修饰超导薄膜中涡旋运动诱导 SDE 的模拟结果

有限磁场 SDE

有限磁场下的超导二极管效应是 SDE 研究中最早获得系统实验证实、也最具代表性的一类情形。外加磁场打破缺时间反演对称性，并与材料本身、界面或器件结构中的空间反演对称性破缺共同作用，使正、反方向临界超电流不再等价，常表现为二极管极性随磁场反向而反转的 B-odd 特征。

图2. [Nb/V/Ta]n 人工超晶格中的超导二极管效应。a，面内磁场调控下的器件结构与工作示意图；b，正、反方向临界电流及其差值随磁场变化；c，通过反转电流方向或磁场方向实现的半波整流响应

图3. 约瑟夫森结与同质超导结构中的超导二极管效应。a，NiTe₂ 基约瑟夫森结中的二极管效率；b，Ta₂Pd₃Te₅ 基约瑟夫森结二极管效率的温度依赖；c–e，Al-InAs 约瑟夫森结中由面内磁场调控的非互易响应；f–h，少层 NbSe₂ 在正、负面外磁场下的非对称电流-电压特性及 B-odd 型二极管效率

零磁场 SDE

相比依赖外加磁场的 SDE，零场 SDE 无需外场即可实现非互易超导输运，更适合低功耗、可集成的超导器件。其物理关键在于体系内部已同时具备非互易超流所需的对称性破缺条件：空间反演对称性破缺可来源于晶格、界面或几何非对称；而时间反演对称性破缺则由内建磁化、磁近邻效应或与非常规超导序相关的内部机制提供。因此，零场 SDE 不仅是实现实用化超导整流的重要方向，也为探测手性超导以及非常规超导态提供了灵敏的输运手段。

图4.磁性异质结构中的零磁场 SDE。a–b，[Nb/V/Co/V/Ta]20 多层膜结构及可切换零场二极管特性；c–e，NbSe₂/Fe₃GeTe₂ 范德华异质结构中的可调极性 SDE 及神经形态功能示意；f–g，Pt/Y₃Fe₅O₁₂ 与 Pt/Cu/Y₃Fe₅O₁₂ 约瑟夫森结结构及其零场二极管效率

图5.本征超导薄膜中的零磁场 SDE。a–c，小转角三层石墨烯中的零场微分电阻、磁场训练极性反转及临界电流差的填充数依赖；d–f，kagome 超导体 CsV₃Sb₅ 的晶体结构、零场 SDE、热循环调控及量子干涉图样

图6. 极性结构中的零磁场 SDE。a–d，NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 范德华约瑟夫森结中的极性势垒、零场非对称临界电流及 B-even 特征；e–h，应变调控 PbTaSe2 薄膜中的极轴建立及晶向依赖的 B-even 零场 SDE

器件性能与应用前景

SDE 不仅是研究非常规超导态的有效输运探针，同时也为构建无耗散整流器件、超导逻辑电路、开关器件和量子比特操控单元提供了新的物理基础。

图7. 不同超导二极管器件的性能比较。a，不同材料体系和器件结构中的最大整流效率；b，不同器件的整流比比较

图8. 具有潜在应用的超导二极管器件。a–b，基于 Al/InGaAs/InAs/InGaAs 异质结的栅控非对称 SQUID 及其相位调控；c–d，高温铜氧化物 BSCCO 约瑟夫森结在 77 K 附近的 SDE 特性及二极管效率温度依赖

论文信息

Superconducting Diode Effects: Mechanisms, Materials and Applications

Jiajun Ma, Ruiya Zhan, Xiao Lin*

Advanced Physics Research

DOI:10.1002/apxr.202400180

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/apxr.202400180

期刊介绍

Advanced Physics Research 是 Wiley Advanced 系列旗下高影响力开放获取（OA）期刊，于 2022 年正式发表首期学术论文。期刊致力于刊载应用物理与基础物理领域的高质量实验与理论研究成果，涵盖凝聚态物理、量子科学、高能物理、天体物理等多个前沿研究方向。