錯失諾獎，他研究全球首個“高溫超導二極管”，再發頂刊！

一、【科學背景】

超導是超導電性的簡稱，指某種材料在降至某一溫度以下時，電阻突然降為零的現象，這個溫度被稱為超導臨界溫度（或超導轉變溫度），用T_C表示。根據臨界溫度高低，超導材料可以分為低溫超導材料和高溫超導材料，其中T_C低于25 K（零下248 ℃）為低溫超導，常見低溫超導材料有鈮（Nb）及其合金，如NbTi、Nb₃Sn等。高溫超導是指將超導臨界溫度T_C盡可能提高，一般將臨界溫度超過25 K的超導材料成為高溫超導材料。常見的高溫超導材料包括銅基超導材料如釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO），鐵基超導材料和氫基超導材料等，其中BSCCO超導體的超導轉變溫度可以高于100K。BSCCO超導體在1988年被日本物理學家田中義一和大阪大學團隊發現。BSCCO超導體的超導轉變溫度達110 K，可以在液氮溫度以上工作，具有較低的制造成本。由于BSCCO較高的超導轉變溫度和良好的電流承載能力，BSCCO超導體在高溫超導技術的研究和中發揮著重要作用。然而，高溫超度是相對于低溫超導的溫度而言，其溫度仍然遠低于室溫，這使得實際應用變得困難。近年來，在一些超導材料中觀測到的“超導二極管效應”引起了很多凝聚態物理學家的關注。據報道，2023年10月2日，德國馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所P. J. W. Moll、瑞士蘇黎世聯邦理工學院V. B. Geshkenbein等人在Nature Physics上發表評論文章，簡要概述了超導二極管制備的大量基礎研究工作。然而具有應用價值的超導二極管仍難以制備。為解決該難題，最近，哈佛大學Philip Kim教授團隊使用BSCCO，利用一種獨特的低溫設備制造方法，報告了世界上首個高溫超導單向電流開關，成為最有希望的高溫超導二極管候選者。據悉，Philip Kim教授是全球石墨烯領域開創性領軍人物，研究領域為實驗凝聚態物理，2005年在Nature發表了單層石墨烯的量子霍爾效應論文，然而非常遺憾錯失2010年諾貝爾物理學獎。

二、【科學貢獻】

研究人員使用超純氬氣中的無空氣低溫晶體操縱方法，在銅酸鹽的兩層極薄（頭發絲寬度的千分之一厚）的BSCCO之間設計了一個干凈的界面。然后，在零下90℃的溫度下，研究人員將兩個層以45度扭轉的方式堆疊在一起，保持了脆弱界面的超導性。

圖1? 在接近0=45°時，出現了半整數Shapiro階躍和磁干擾圖案 ? 2023 AAAS

實驗結果顯示，根據電流方向的不同，可無電阻通過界面的最大超電流是不同的。隨后研究人員通過反轉這種極性，展示了對界面量子態的電子控制。這種控制有效地制造出可切換的高溫超導二極管。

圖2? 破壞時間反演對稱性的約瑟夫森二極管效應 ? 2023 AAAS

?三、【創新點】

研究人員在銅酸鹽的兩層極薄的BSCCO之間設計了一個干凈的界面，并發現在45°轉角附近，觀察到了半整數Shapiro階躍和磁干擾圖案，這符合時間反演對稱性（TRS）相關兩個簡并約瑟夫森基態。通過編程約瑟夫森結（JJ）電流偏置序列，可控地破壞TRS，在沒有外部磁場的情況下，實現可逆的約瑟夫森二極管。

四、【科學啟迪】

在這項研究中，研究人員研究了幾種具有不同扭轉角的JJ中的約瑟夫遜二極管效應。對于每個JJ，臨界電流差反映了每個±φ0谷的勢壘的不對稱性，而差值則反映了兩個自由能最小值之間的不對稱性。在偏離45°時，由于TRS的恢復，二極管效應消失，這與兩個由TRS相關的簡并約瑟夫森基態的存在相一致。通過編程JJ電流偏置序列，可控地破壞TRS，在無外磁場的情況下實現可逆的約瑟夫森二極管。該項研究為在更高溫度設計拓撲器件開辟了一條道路，當發表在Science上即引起廣泛關注，哈佛大學Nicola Poccia教授為本文共同通訊作者。為此，EurekAlert!對研究團隊進行專訪，并以題為“High-temperature superconductors, with a twist?”對此進行報道。

圖3? 堆疊的扭曲銅酸鹽超導體的圖形表示圖片來源：Lucy Yip、Yoshi Saito、Alex Cui、Frank Zhao

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8371

本文由大兵哥供稿。