半導(dǎo)體二極管與晶體管是現(xiàn)代電子工業(yè)的基石，它們是構(gòu)建超大規(guī)模集成電路的最基礎(chǔ)電子元件。半導(dǎo)體二極管常以P-N結(jié)或肖特基結(jié)為基礎(chǔ)，核心是其單向?qū)ㄌ匦?。在正向偏壓下時(shí)，P-N結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許電流通過(guò)，開(kāi)啟電壓低；而在反向偏壓下，P-N結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，電流幾乎無(wú)法通過(guò)，反向擊穿電壓高。不同于半導(dǎo)體材料，超導(dǎo)體具有宏觀量子效應(yīng)，電流可以無(wú)阻地流通超導(dǎo)體。由于超導(dǎo)體的超流特性，研制超導(dǎo)二極管似乎難以實(shí)現(xiàn)。直到2020年，日本京都大學(xué)Teruo Ono研究組在[Nb/V/Ta]40超晶格中通過(guò)施加橫向磁場(chǎng)首次實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管現(xiàn)象[1]。此后，科研人員分別在不同的量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)二級(jí)管效應(yīng)或超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)二極管[2]。然而這些超導(dǎo)二極管結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以構(gòu)建大規(guī)模超導(dǎo)集成電路，因此如何利用常規(guī)超導(dǎo)體結(jié)合成熟的半導(dǎo)體微納工藝技術(shù)研制穩(wěn)定可靠的超導(dǎo)二極管是是超導(dǎo)電子學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[3]。而在超導(dǎo)電子學(xué)最常用的s波超導(dǎo)體中，由于其各向同性的超導(dǎo)電性，難以研制具有單向?qū)ㄌ匦缘某瑢?dǎo)二極管。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所尤立星、李浩團(tuán)隊(duì)利用超導(dǎo)電流的擁堵效應(yīng)(crowding effect)成功在超導(dǎo)納米線中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)二極管效應(yīng)。相關(guān)研究成果以《不對(duì)稱超導(dǎo)納米線中的二極管效應(yīng)(Superconducting Diode Effect in a Constricted Nanowire)》為題，發(fā)表在Advanced Quantum Technologies上。
 

　　超導(dǎo)納米線是維度最低、宏觀尺寸最小的超導(dǎo)電子學(xué)元件，它有望構(gòu)建具有高集成度的新型超導(dǎo)邏輯器件與邏輯電路，如N-tron與Y-tron、納米線二極管與晶體管等新型超導(dǎo)量子器件。而在電流穩(wěn)定流動(dòng)的超導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)中，任意的空間尺寸擴(kuò)張或收縮都將引起超導(dǎo)序參量的空間漲落，導(dǎo)致超導(dǎo)臨界電流的減小(電流擁堵效應(yīng))，因此通過(guò)在超導(dǎo)納米線上引入一個(gè)微小的收縮或擴(kuò)張區(qū)域，即可構(gòu)建出具有非互易電輸運(yùn)特性的超導(dǎo)納米線二極管。超導(dǎo)納米線二極管的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，超導(dǎo)納米線采用超導(dǎo)電子學(xué)最常用的超導(dǎo)體之一: NbTiN超導(dǎo)薄膜。通過(guò)施加一個(gè)較小的外磁場(chǎng)，不對(duì)稱超導(dǎo)納米線即展現(xiàn)出了明顯的非互易電輸運(yùn)特性，其正向臨界電流與反向臨界電流存在著明顯的差異。
 

　　圖1 a. 超導(dǎo)納米線二極管的掃描電鏡圖。?b. 超導(dǎo)納米線二極管的非互易電輸運(yùn)特性

 

　　此外研究人員還利用超導(dǎo)納米線二極管演示了其對(duì)方波和正弦波的整流特性，如圖2所示。當(dāng)給超導(dǎo)納米線二極管施加一個(gè)幅值處于正向臨界電流和反向臨界電流之間的一個(gè)方波或正弦波信號(hào)時(shí)，由于超導(dǎo)納米線二極管的非互易電輸運(yùn)特性，其只在單一方向上偏置電流可以無(wú)阻地流通，在反方向上則輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)。
 

圖2 超導(dǎo)納米線二極管的整流效應(yīng)。
 

　　論文入選期刊當(dāng)期的正文封面(Front Cover)，近日還獲得了2024年第二季度威立Wiley中國(guó)高貢獻(xiàn)作者獎(jiǎng)。論文第一作者為上海微系統(tǒng)所副研究員張孝富，研究生郇慶昌和馬若巖。通訊作者為上海微系統(tǒng)所張孝富、尤立星。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。