中科院Nature Communications | 层状材料Ta₂Pd₃Te₅不对称边缘干涉器中的干涉约瑟夫森二极管效应

文摘 2025-01-11 06:00 上海

FUTURE | 远见

FUTURE | 远见闵青云选编

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q02/HX-Q02课题组的沈洁特聘研究员、吕力研究员与合作者在Nature Communications期刊上发表了题为「Interfering Josephson diode effect in Ta₂Pd₃Te₅ asymmetric edge interferometer」的最新论文。科学家们提出了一种基于拓扑绝缘体Ta₂Pd₃Te₅的超导邻接干涉仪，该设备在微小的外部磁场下，其效率高达73%，并且切换功耗低至皮瓦级别。此外，实验还确认了电流-相位关系中的二阶谐波特性，这为实现高性能的超导量子器件提供了新的可能性。

研究背景

在现代电子学中，半导体二极管是一个基本组件，其非对称响应引发了广泛关注。与此类似，超导体中的非对称电荷输运，即超导二极管效应（SDE），在超导量子电子学中展现出巨大的应用潜力，尤其是在约瑟夫森结（JJs）和超导量子干涉器件（SQUIDs）中。尽管JDE在理论上已在多种打破时间反转和反演对称性的体系中被提出，但在实际应用中，超导二极管效应的效率与功耗仍然面临挑战。

研究内容

为了解决这些问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q02/HX-Q02课题组的沈洁特聘研究员、吕力研究员与合作者提出了一种基于拓扑绝缘体Ta₂Pd₃Te₅的超导邻接干涉仪，该干涉仪利用不对称边缘状态实现了干涉约瑟夫森二极管效应（JDE）。

研究表明，该设备在微小的外部磁场下，其效率高达73%，并且切换功耗低至皮瓦级别。此外，实验还确认了电流-相位关系中的二阶谐波特性，这为实现高性能的超导量子器件提供了新的可能性。通过探索这种干涉JDE的特性，研究人员揭示了边缘状态的不对称性及其对JDE极性的重要影响，从而为未来超导量子电路的发展奠定了坚实基础。

图文导读

本文通过多种先进的表征手段揭示了Ta₂Pd₃Te₅边缘干涉仪中约瑟夫森二极管效应（JDE）的显著特性。首先，借助低温电输运测量，研究团队在小的垂直磁场下观察到了JDE的明显表现。通过低温下的直流电流偏置测量和微波辐射下的电输运实验，研究人员成功捕捉到了JDE伴随的反对称二次谐波输运现象，并进一步探讨了这一现象的微观机理。这些实验数据不仅揭示了JDE的存在，还表明了JDE在小磁场下的稳定性，以及在微波辐射下的增强效应，为深入研究JDE提供了重要的实验依据。

在此基础上，本文进一步通过第一性原理计算（DFT）研究了Ta₂Pd₃Te₅的能带结构，揭示了材料的电子结构特性。通过计算，研究人员发现Ta₂Pd₃Te₅中的导带和价带之间存在明显的交叉特性，这种特性在JDE现象中起到了重要的作用。通过对比不同模型的电流相位关系（CPR），研究团队模拟了两种干涉装置的开关电流行为，并与实验结果进行了对比。尽管模拟与实验之间存在轻微偏差，但通过进一步优化模拟模型，研究人员得到了与实验相符的结果，证明了该材料在JDE中的优异表现。

此外，研究还通过边缘超电流的表征，研究了其不对称性及其产生机制。通过对干涉图样的分析，发现Ta₂Pd₃Te₅边缘电流存在明显的不对称性，且该不对称性与边缘电流通道的干涉特性密切相关。这一发现揭示了该材料在更复杂量子效应下的潜力，特别是在量子信息处理和超导电子学中的应用前景。

总结而言，本文通过低温电输运、微波辐射、电流相位关系模拟、以及能带计算等多种表征手段，深入分析了Ta₂Pd₃Te₅中约瑟夫森二极管效应的特性，揭示了其在小磁场下的显著二极管效率和超低开关功耗特性。这些发现不仅为JDE的基础研究提供了新的视角，也为开发高效低功耗的超导电子器件开辟了新的方向。基于这些表征结果，未来可以进一步优化器件结构、提高二极管效率，推动新型超导电子学材料的发展，为量子计算和量子通信领域的进步奠定基础。

图1 | SDE/JDE机制。

图2 | Ta₂Pd₃Te₅JJs中的非对称约瑟夫森效应和JDE。

图3 | Ta₂Pd₃Te₅器件中微波下的分数Shapiro步骤。

图4 | Ta₂Pd₃Te₅JJs的反对称二次谐波传输。

科学启迪

Ta₂Pd₃Te₅ 边缘干涉仪揭示了在小的垂直磁场下显著的约瑟夫森二极管效应（JDE）。该JDE伴随着增强的反对称二次谐波传输，值得进一步研究。此外，观察到不对称的约瑟夫森临界电流和分数Shapiro步骤，表明高阶谐波成分在JDE中的重要性。需要注意的是，若未来在低温下应用SDE/JDE，功耗问题仍需关注，并且不仅在机制上需要优化，设备尺寸上也需改进。通过串联干涉仪回路，可以进一步提高约瑟夫森二极管的效率。这些发现为探索具有显著二极管效率、在小磁场下具有超低开关功率并在微波辐射下稳定的JDE提供了有前景的方法，具有潜在的实际应用价值。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53383-2

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