近日統籌發展，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(zhì)半導體砷化銦(InAs)納米片和超導鋁電極構(gòu)造了平面約瑟夫森結(jié)器件，在該結(jié)構(gòu)中觀測到可通過柵電壓調(diào)控的約瑟夫森二極管效應(yīng)(Josephson Diode Effect)或超導二極管效應(yīng)(Superconducting Diode Effect)服務，揭示了觀察到的效應(yīng)起源于Rashba自旋軌道耦合與塞曼效應(yīng)共同作用誘導產(chǎn)生的有限動量配對機制很重要。2025年5月2日，相關(guān)成果以“Gate Tunable Josephson Diode Effect in Josephson Junctions Made from InAs Nanosheets”為題覆蓋，在線發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上異常狀況。
 

　　隨著超導電子學的發(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)因其在超導電路和拓撲量子器件中的潛在應(yīng)用前景高效，逐漸成為研究熱點應用創新。近年來，該效應(yīng)已在包括拓撲半金屬機構、拓撲絕緣體和鐵磁金屬等多種體系中被觀測到的特性。III-V族半導體材料(如 InAs 和 InSb)，具有強自旋軌道耦合(SOI)基礎，在超導近鄰耦合和外加磁場條件下提供堅實支撐，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)高產。與其他材料相比信息化技術，InAs、InSb的半導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)控性良好。同時逐步顯現，自旋軌道耦合、近鄰超導引領、塞曼效應(yīng)這些機制也是構(gòu)建拓撲超導體的核心要素自動化裝置。因此示範，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撲超導相關(guān)的量子現(xiàn)象創(chuàng)造了條件有很大提升空間。
 

　　基于高質(zhì)量 InAs 納米片與鋁超導電極運行好，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)的有效手段。“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統籌推進，而是由有限動量配對機制所致方案。這一結(jié)論得到以下實驗結(jié)果的支持關鍵技術。(1)磁場方向依賴性(圖b)：當器件中面內(nèi)磁場方向垂直于偏置電流時，二極管效應(yīng)最為顯著深入；而在二者平行時技術研究，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期一致大面積。(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積極參與。(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培養。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交流研討，研究人員認為器件表現(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(jù)形式，也為實現(xiàn)柵控拓撲超導器件和探索新型量子態(tài)奠定了基礎(chǔ)建設應用。
 

　　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日漸深入；圖(c)約瑟夫森二極管效應(yīng)隨磁場強度變化圖動力；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互動式宣講。共同通訊作者為量子院首席科學家徐洪起教授效高性、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(yè)生羅毅自動化、蘇海天提升，量子院博士后高涵、助理研究員吳幸軍不折不扣，中國科學院半導體所趙建華研究員支撐能力。該工作獲得國家自然科學基金委項目的支持。