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日本京都大学发现仅一个方向零电阻的超导二极管效应

      日本京都大学化学研究所的小野辉男教授和安藤冬希博士生(当时)等人组成的研究团队,与该校理学研究科的柳濑阳一教授,以及大阪大学理学研究科的荒川智纪助教等人合作,首次在具有非对称结构的超导人工晶格中,观测到了仅在一个方向上电阻为零的超导二极管效应。二极管是一种能在正向顺利导通电流,而反向几乎无法导通电流的元件,整流器、混合器和光检测器等很多电子部件都用到了半导体二极管。不过,由于半导体具有一定的电阻,而不是彻底的零电阻,所以无法避免各部件的能量损失问题。因此,如何使电阻为零的超导体而非半导体具备二极管的特性、即如何实现超导二极管成了一个重要研究方向。

      学此次研究发现,在由钛(Nb)层、钒(V)层和钽(Ta)层构成的非对称结构超导人工晶格中,临界电流的大小取决于电流方向,并验证了超导二极管效应。该成果有助于实现能量损失极小的电子电路。作为空间反演对称性破缺的超导体,此次研究利用溅射法形成了由Nb、V和Ta构成的人工晶格。研究团队将该薄膜样本加工成细线形状,并像图 1(a)那样,以采用电流源和电压计的实验配置测量了4个端子的电阻。在薄膜面内与电流正交的方向施加外部磁场,调查了电阻对直流电流的依赖性,结果如图1(b)所示。调查发现,Nb/V/Ta人工晶格的临界电流因施加电流的方向而异。另外,正向(实线)和反向(虚线)临界电流的大小关系由外部磁场的符号决定。
      a)采用Nb/V/Ta人工晶格的样本的光学显微镜图像与测量4端子电阻的实验配置。空间反演对称性破缺的是薄膜积层方向,与施加的电流及外部磁场分别正交。(b)在4.2K的温度下测量的电阻的直流电流依赖性。在某个阈值电流(临界电流)下,超导被破坏,产生有限的电阻,但正向(实线)和反向(虚线)的临界电流不同。正向与反向的临界电流的大小关系由外部磁场符号决定。接下来,研究团队利用这种非相反的临界电流证明,可以根据电流方向和磁场方向在超导与常导之间切换(图 2)。这意味着,Nb/V/Ta人工晶格能作为超导二极管工作。可以在相对比较小的0.02T(特斯拉)磁场下切换二极管的方向。
     根据电流方向和磁场方向在超导与常导之间切换的示例(4.2K)。从直流电阻的温度依赖性可以看出,Nb/V/Ta的转变温度为4.4K,常导电阻为3.8Ω。研究证明,可以通过在外部磁场为0.02T、电流值为6.6mA的情况下分别反转符号,在超导状态与常导状态之间切换。
 
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