【儀器網 技術前沿】半導體-超導體復合量子器件因可用于容錯拓撲量子計算而備受關注。近日，北京大學電子學院、北京量子信息科學研究院(簡稱北京量子院)徐洪起教授課題組與北京量子院、中科院半導體所、中科院物理所等合作，研究了基于這類系統的約瑟夫森結在微波輻照下的超導二極管效應，發現通過增大微波輻照功率可使該約瑟夫森結具有單向超導電性，即零電壓Shapiro平臺僅存在于正負電流方向中的一個方向上，使約瑟夫森結超導二極管的整流效率達到100%。2024年8月21日，相關成果以“Microwave-Assisted Unidirectional Superconductivity in Al-InAs Nanowire-Al Junctions under Magnetic Fields”為題發表在Physical Review Letters上。
 

　　微波誘導單向超導電性——當外加偏置電流方向反轉，超導系統的臨界電流可能出現關于電流方向不對稱的行為，這被稱為超導二極管效應。該效應在構建低功耗邏輯器件以及探測奇異量子態方面具有重要應用，近年來備受關注。先前關于超導二極管效應的研究主要集中在靜態條件，且完全單向超導電性的行為較為罕見。徐洪起課題組與合作者采用InAs納米線和原位外延生長鋁薄膜組成的復合結構制作了約瑟夫森結，利用微波輻照改變超導臨界電流的不對稱行為，實現了對超導二極管效應的調控。發現在有限磁場下，器件在沒有微波輻照時表現出十分微弱的超導二極管效應(圖1b綠線和紅線)。但隨著微波輻照的開啟及其功率的增加，V-I曲線零電壓Shapiro臺階的中心位置逐漸偏離偏置電流零點，最終形成一個有趣的單向超導狀態，即零電壓Shapiro臺階僅出現在正負偏置電流中的一個方向上，而常規有電阻態則出現在零偏置電流附近(圖1d 紅線)。磁場角度依賴關系的測量進一步表明該現象是內稟于系統的。
 

　　圖1. 微波輻照下的超導二極管效應研究：(a)器件結構和測量線路示意圖；(b—d)典型的測量結果
 

　　與先前理論對比——另一個有趣的地方是實驗中觀察到的零電壓Shapiro臺階中心位置隨微波輻照功率增加而移動的趨勢不支持先前理論研究中常用的RSJ(resistively shunted junction)模型的計算結果。根據RSJ模型的模擬計算，零電壓Shapiro臺階中心位置隨著微波功率的增加應當逐漸趨近電流偏置零點，而實驗觀察到的則是逐漸遠離零點(圖2)。這說明實驗中觀測到的效應與先前常用的理論預言存在微觀機理上的區別。理解這種區別需要進一步通過提出新的微觀機理進行建模計算和相應的實驗測量研究。
 

　　圖2. 實驗測得的Shapiro臺階隨微波輻照功率變化的演化趨勢。這里展示了對兩個器件(Device A and Device B)在不同輻照微波頻率下的測量結果，每幅圖中的雙箭頭指示了測量過程中的偏置電流的掃描方向。結果顯示：零電壓平臺隨著微波輻照功率變化而移動
 

　　這項工作將推動超導二極管器件的高頻動力學研究，也為研究約瑟夫森結系統中的對稱性破缺提供了一種靈敏的探測方案。未來，高質量可調控半導體-超導體復合量子器件在周期場驅動下的內稟物理問題也值得做進一步探索。
 

　　該成果第一作者為北京大學博士生蘇海天，共同通訊作者為中科院半導體所研究員潘東，北京量子院副研究員張潑，徐洪起。合作者還包括北京大學博士生高涵和羅毅，北京量子院副研究員王積銀、助理研究員顏世莉和吳幸軍，中科院物理所博士生李國安、特聘研究員沈潔和研究員呂力，中科院半導體所研究員趙建華。該工作得到國家自然科學基金委和中國科學院青年創新促進會支持。器件加工得到北京大學校級微納加工實驗室、北京量子院微納加工平臺、北京懷柔綜合極端條件實驗裝置微納加工實驗室的支持。