错失诺奖，他研究全球首个“高温超导二极管”，再发顶刊！

一、【科学背景】

超导是超导电性的简称，指某种材料在降至某一温度以下时，电阻突然降为零的现象，这个温度被称为超导临界温度（或超导转变温度），用T_C表示。根据临界温度高低，超导材料可以分为低温超导材料和高温超导材料，其中T_C低于25 K（零下248 ℃）为低温超导，常见低温超导材料有铌（Nb）及其合金，如NbTi、Nb₃Sn等。高温超导是指将超导临界温度T_C尽可能提高，一般将临界温度超过25 K的超导材料成为高温超导材料。常见的高温超导材料包括铜基超导材料如钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO），铁基超导材料和氢基超导材料等，其中BSCCO超导体的超导转变温度可以高于100K。BSCCO超导体在1988年被日本物理学家田中義一和大阪大学团队发现。BSCCO超导体的超导转变温度达110 K，可以在液氮温度以上工作，具有较低的制造成本。由于BSCCO较高的超导转变温度和良好的电流承载能力，BSCCO超导体在高温超导技术的研究和中发挥着重要作用。然而，高温超度是相对于低温超导的温度而言，其温度仍然远低于室温，这使得实际应用变得困难。近年来，在一些超导材料中观测到的“超导二极管效应”引起了很多凝聚态物理学家的关注。据报道，2023年10月2日，德国马克斯普朗克物质结构与动力学研究所P. J. W. Moll、瑞士苏黎世联邦理工学院V. B. Geshkenbein等人在Nature Physics上发表评论文章，简要概述了超导二极管制备的大量基础研究工作。然而具有应用价值的超导二极管仍难以制备。为解决该难题，最近，哈佛大学Philip Kim教授团队使用BSCCO，利用一种独特的低温设备制造方法，报告了世界上首个高温超导单向电流开关，成为最有希望的高温超导二极管候选者。据悉，Philip Kim教授是全球石墨烯领域开创性领军人物，研究领域为实验凝聚态物理，2005年在Nature发表了单层石墨烯的量子霍尔效应论文，然而非常遗憾错失2010年诺贝尔物理学奖。

二、【科学贡献】

研究人员使用超纯氩气中的无空气低温晶体操纵方法，在铜酸盐的两层极薄（头发丝宽度的千分之一厚）的BSCCO之间设计了一个干净的界面。然后，在零下90℃的温度下，研究人员将两个层以45度扭转的方式堆叠在一起，保持了脆弱界面的超导性。

图1  在接近0=45°时，出现了半整数Shapiro阶跃和磁干扰图案 © 2023 AAAS

实验结果显示，根据电流方向的不同，可无电阻通过界面的最大超电流是不同的。随后研究人员通过反转这种极性，展示了对界面量子态的电子控制。这种控制有效地制造出可切换的高温超导二极管。

图2  破坏时间反演对称性的约瑟夫森二极管效应 © 2023 AAAS

 三、【创新点】

研究人员在铜酸盐的两层极薄的BSCCO之间设计了一个干净的界面，并发现在45°转角附近，观察到了半整数Shapiro阶跃和磁干扰图案，这符合时间反演对称性（TRS）相关两个简并约瑟夫森基态。通过编程约瑟夫森结（JJ）电流偏置序列，可控地破坏TRS，在没有外部磁场的情况下，实现可逆的约瑟夫森二极管。

四、【科学启迪】

在这项研究中，研究人员研究了几种具有不同扭转角的JJ中的约瑟夫逊二极管效应。对于每个JJ，临界电流差反映了每个±φ0谷的势垒的不对称性，而差值则反映了两个自由能最小值之间的不对称性。在偏离45°时，由于TRS的恢复，二极管效应消失，这与两个由TRS相关的简并约瑟夫森基态的存在相一致。通过编程JJ电流偏置序列，可控地破坏TRS，在无外磁场的情况下实现可逆的约瑟夫森二极管。该项研究为在更高温度设计拓扑器件开辟了一条道路，当发表在Science上即引起广泛关注，哈佛大学Nicola Poccia教授为本文共同通讯作者。为此，EurekAlert!对研究团队进行专访，并以题为“High-temperature superconductors, with a twist?”对此进行报道。

图3  堆叠的扭曲铜酸盐超导体的图形表示图片来源：Lucy Yip、Yoshi Saito、Alex Cui、Frank Zhao

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8371

本文由大兵哥供稿。