日本在这一领域又取得领先!《Nature》:超导二极管

可能你对超导材料并不陌生了,因为人类探索已久,但你听说过超导二极管?不急,且听我慢慢道来……传统的二极管,主要是利用异质结(即p-n结)来对电流进行整流。这样的器件已广泛存在于我们身边的每一个电器零部件中,由于在结合部不可避免地存在非零电阻,因此传统的二极管是难以实现超导效应的。

近日,来自日本京都大学和大阪大学的Teruo Ono等人在一个没有反演中心的人工超晶格[Nb/V/Ta]n中,展示了磁可控的超导二极管。通过直流电法测量,可以清楚地观察到超导向法向过渡时电阻与电流的非互异曲线,并认为临界电流的差异与空间反演和时间反演对称性的破缺所引起的手性磁各向异性有关。由于非互易临界电流的存在,[Nb/V/Ta]n超晶格只在一个方向上表现出零电阻。该研究成果以题为“Observation of superconducting diode effect”的论文发表在《Nature》上(见文后原文链接)。

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【图文详解】

超导二极管长得什么样?研究者将铌、钒、钽三种超导元素重复叠加,制作了非中心对称超晶格,观察到磁场控制下的超导二极管效应(图1)。通过直流(d.c.)测量,我们清楚地观察到了电阻电流(R-I)曲线中的非互易性,尤其是临界电流(图2)。此外,在电阻性超导涨落区还观察到Rashba超导体特有的非线性电阻。该非互易临界电流是Rashba超导体中磁手性各向异性的结果。

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图1 磁可控超导二极管的演示。

在具有明确周期界面的MgO(100)衬底上外延生长的超晶格[Nb(1.0 nm)/V(1.0 nm)/Ta(1.0 nm)]40被制作成线状结构,用于四端测量(图1b等)。在物理性质测量系统(PPMS-3)的实验室内,超导磁体施加外磁场,其方向在薄膜平面内,垂直于流动电流I。这里,电流方向和磁场方向分别定义为x轴和y轴。

首先,研究者测量了薄片电阻的温度依赖性,用于确定临界温度Tc。如图1所示,发现T= 4.41 K和正常的低温下的阻值大约是3.75Ω。超导和正常之间的进行交替切换状态(图1 c)证明如下:在+y方向上将磁场设置为+0.02 T(或- 0.02 T),在4.2 K时,连续测量薄片电阻所得正直流电流I = +6.6 mA,略低于Tc。然后,而正向的磁场可获得零电阻(约0.0017Ω),而磁场逆转时得到了正常阻力(3.76Ω)。当再施加一个负向的直流电流I = -6.6 mA时,开关行为逆转。这一结果有力地说明了超导态和正常态的切换完全取决于磁场和电流的符号。

超导二极管效应。为了详细研究超导二极管效应,研究者测量了不同磁场和温度下薄片电阻的直流依赖性(图2)。在4.2 K时的典型测量结果中(图2a),注意到R-I曲线在不同电流下显示了一个跳跃,这取决于施加的直流电流是正(+I)还是负(-I)。在这里,R-I曲线的中点被定义为临界电流Ic,并绘制出各种磁场下正(+I)电流和负(-I)电流的Ic值(图2b)。这两条曲线清楚地表明,Ic中非互易分量的符号是由电流方向和磁场方向的相对角度唯一决定的,当磁场向左时Ic增大,当磁场向右时Ic减小。

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图2 非对称R-I曲线和[Nb/V/Ta]n超晶格中的非互异临界电流。

磁场ΔIc的依赖是调查范围2.0-4.35 K(图2 c)。对于每个温度,磁场沿y轴向前扫(+y)和向后扫(- y)的结果与磁场呈反对称关系;这证实了ΔIc本质上是由磁场决定的。研究发现,随着温度的增加到Tc,显然ΔIc随后出现收缩,出现了类似于单向的电荷传输行为的MoS2、WS2和Bi2Te3/FeTe。

性能对比。研究者通过交流电(交流)谐波的测量,来发现非互易的临界电流的机制。在这里,Rω(一阶谐波电阻)对应线性电阻R0,不依赖于电流大小。相比之下,R(二阶谐波电阻)表示二阶阻力,它正比于电流和磁场。图3a中,在4.2 K扫面磁场使,RωR都进行了测量。R在转换和反对称的磁场中得到了极大地增强,当磁场正交于电流(±y方向)时,它极小;当磁场平行于电流(+x方向)时,它几乎可以忽略不计。R的方向依赖性完全体现了Rashba超导体的特性。这也是目前三维超晶格中Rashba超导电性的第一个直接证据。

图3b中,测量了R的温度依赖性。观察到每个温度下,R信号在临界磁场都得到了增强,这可能就是由超导涨落引起的非互易电荷输运。

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图3 [Nb/V/Ta]n超晶格超导转变过程中的非互易电荷输运。

图4中展现了超导特性与温度的依赖关系,依赖数值为。值得注意的是,在Tc附近,该值逐渐增大,在其最大值处达到了γ≈550 T-1A-1。这些趋势与其他低维系统完全一致。在Tc附近可以清楚地观察到,[Nb/V/Ta]n超晶格的磁手性各向异性自然地形成了非互易临界电流。

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图 4 [Nb/V/Ta]n超晶格的手性各向异性。

小结

综上所述,研究者证明了在人工[Nb/V/Ta]n超晶格中存在磁可控超导二极管。通过调整超晶格结构,如组成元素、厚度或重复次数,可以很容易地控制超导二极管的性能。这种超导二极管将为超导器件的发展铺平道路。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2590-4

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