最近，所谓的超导二极管效应引起了物理研究领域的广泛关注，因为它具有开发新技术的潜在价值。这种效应提供了非互易超导性的一个关键例子，因为承载它的材料在一个电流方向上本质上是超导的，而在另一个电流方向上是电阻的。
麻省理工学院(MIT)的研究人员与IBM欧洲研究院和全球其他研究所合作，最近在超导体材料的薄膜中观察到这种有趣的效应。他们的发现发表在《物理评论快报》上，可以制造出新的电子元件，比如性能更好的二极管(即允许电流向特定方向流动的设备)。
“我们对SC二极管效应的发现在某种程度上是偶然的，但同样令人惊讶，”进行这项研究的研究人员之一Jagadeesh Moodera告诉Phys.org。“我们过去(现在仍在)研究难以捉摸的马约拉纳束缚态，也被称为马约拉纳费米子，它出现在超导金表面上，使用类似的薄膜堆叠结构。我们绕道而行，对这种突然引起关注的现象(超导二极管效应)进行了‘快速’搜索，自2020年以来，出现了几份关于这一主题的新报告。”
就在modera和他的同事开始研究SC二极管效应的几天后，他们成功地在超导体薄膜中观察到了这种效应。最初，他们特别尝试在已知的有利条件下观察这种效应，特别是当超导体受到自旋轨道和交换场的影响时。然而，他们很快意识到这种效应在超导层中是普遍存在的，这意味着即使没有这些场，它也会以任何一种方式发生。
“事实证明，超导体中记录二极管的行为可以通过简单的边缘雕刻来实现，从而为未来高效超导存储器，开关，逻辑等设备技术的轻松扩展奠定基础，”Moodera解释说。值得注意的是，今年夏天在麻省理工学院进行研究的两名高三学生，即阿米斯·维拉巴利和乌拉尼亚·格列扎库-埃伯特，对这项研究起到了重要作用。这项工作进一步强调，突破性的研究发生在最意想不到的时候，当自由探索，以开放的心态！”
超导体是一种材料，当冷却到足够低的温度时，它们就会变成超导(即，它们可以导电而不损失能量)。换句话说，这些材料承载无耗散的电流，这些电流以零电阻流过它们，直到最大值，即临界电流。
当SC二极管效应发生时，这个临界电流根据其方向(即，在材料内是否向前或向后流动)而变得不同。研究人员研究的关键目标是在超导材料的薄层中探测这种效应。
“我们用铁磁半导体制造了高质量的SC薄膜Akashdeep Kamra和Yasen Hou解释说:“我们在其上放置了一层电感，并测量了传输电流特性，发现了巨大的SC二极管效应，而不需要外加磁场。”“我们意识到，在我们的光刻图案薄膜条中，精细的几何细节在二极管效应中起着至关重要的作用。因此，我们甚至简单地合成了SC薄膜，并在其中一面引入了不均匀性，从而产生了进一步的不对称性，以增强SC二极管的效果。”
有趣的是，边缘非均匀性调节研究中使用的材料在很大程度上是由两位参加麻省理工学院暑期项目的高中生设计的，他们是在Hou和Moodera的指导下设计的。他们的创造性设计为团队观察到进一步增强的SC二极管效应做出了很大贡献。
帕特里克·李说:“在过去的几年里，有几篇关于超导二极管效应在相当复杂的多层系统中的报道，其解释大多基于有限动量库珀配对的概念。”“成分是磁场或磁化和自旋轨道相互作用，以设计一种非常规的SC膜。一种相对简单的设置是在铁磁体层和重金属(如Pt)之间夹心SC膜，以提供磁化和自旋轨道耦合。我们有兴趣测试这个提议。”
正如他们所预测的那样，Moodera、Hou、Kamra、Lee和他们的同事在他们精心制作的三明治状结构中观察到了SC二极管效应。为了确定这种三明治状的设计是否是实现这种效应的关键，他们随后创建了控制薄超导样品，他们希望这种样品不会表现出这种效应。然而，令他们惊讶的是，这些对照样品呈现出同样强烈的SC二极管效应。
Lee解释说:“我们发现重金属Pt和铁磁体与SC之间的交换耦合都不是必需的:这种效应是由铁磁体边缘的边缘场驱动的。”“最终我们发现我们可以完全消除铁磁体，并且单个SC薄膜在非常小的垂直场下表现出二极管效应。这种效应的起源与边缘附近的涡流钉住有关。一旦我们理解了这一点，我们就故意在薄膜的一侧制造了锯齿状边缘，并观察到非常大的二极管效应。”
为了更好地理解他们的观察结果，研究人员随后回顾了有关该主题的先前文献。他们发现，虽然过去的研究讨论了SC二极管效应背后的一些基本物理，但它们通常是以一种无组织和分散的方式进行的。
李说:“这些论文没有引起最近关于这一主题的大量论文的注意。”“因此，除了以一种非常简单的方式产生破纪录的二极管效应外，我们还将最近的工作置于正确的背景下。因此，任何关于新效应的主张都应该消除我们发现的‘普遍存在的’特征。”
这组研究人员最近的工作有效地确定了SC薄膜中SC二极管效应的物理基础，表明它不是由不同类型的库珀配对机制产生的。相反，这表明SC二极管效应很容易实现，并且与SC材料的基本固有特性有关，这已经知道了几十年。
在未来，Moodera, Hou, Kamra, Lee和他们的同事收集的发现可以使新的高性能SC二极管的开发成为可能。除了基于薄材料，因此更容易缩小尺寸，这些二极管可以很容易制造和高效率。
Kamra, Hou, Lee和Moodera补充说:“在我们的工作中，我们无法识别和理解当磁场沿着电流方向施加时SC二极管效应出现的机制。”“对我们和科学界来说，这仍然是一个有趣而突出的挑战。我们希望将来能解决这个问题。
“与此同时，从器件的角度来看，我们希望确定SC二极管效应的温度和频率依赖关系，以便除了设想强大和快速的计算之外，还可以将其扩展到更高温度的超导体。”
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