背景介绍
超导二极管效应（SDE）是超导输运中的一种新现象，类似于半导体二极管中的非互易电荷输运，它允许超电流仅在一个方向上流动，而在相反的方向上表现出有限的阻力。这一特性使SDE在超低功耗电路中具有广泛的应用前景。同时打破空间反演和时间反演对称性是实现SDE的必要前提，寻找产生SDE的新体系并探寻其物理机制是凝聚态研究领域的热点之一。迄今为止，在一些超导体系中观察到了SDE，但大多数观察到的SDE需要外加磁场来打破时间反演对称性，因此会限制SDE在器件中的实际应用，因此探索零场SDE是极为重要的。
在高质量超导/铁磁系统的界面处，铁磁层的磁交换相互作用渗透到超导层中，从而打破了超导材料的时间反演对称性，类似于外加磁场的影响，因而利用超导/铁磁异质结构中的邻近效应成为实现零场SDE的新途径。事实上，在EuS/Al和EuO/Al薄膜系统中发现了准粒子态的磁邻近诱导自旋分裂，也在Nb/EuS薄膜系统中观察到了超导涡流二极管效应。与超导/铁磁薄膜系统界面存在强的化学键作用相比，铁磁/超导范德华异质结构的界面主要存在范德华力作用，可避免薄膜样品中存在的缺陷、晶格失配和原子相互扩散等问题，但同时，由于较弱的范德华力，使得不同范德华材料界面间的相互作用减弱，从而通过磁邻近效应或局部杂散场在铁磁/超导范德华异质结构中实现零场SDE面临较大的挑战，目前尚缺乏相关报道。
成果简介
中国科学院物理研究所高鸿钧-杨海涛团队通过化学气相输运法合成了高质量的Fe3GeTe2和NbSe2单晶，并通过x射线衍射和能量色散X射线光谱对单晶的成分和晶体结构进行了表征，通过超导量子干涉仪对Fe3GeTe2的磁性进行了测量。随后，基于高质量的单晶，利用二维材料机械剥离和异质结的定点转移技术制备了Fe3GeTe2/NbSe2的异质结，并通过磁电输运测试系统对其电学性能进行了系统测量。发现了由伊辛超导NbSe2和具有强垂直磁各向异性的铁磁Fe3GeTe2构建的范德华异质结构中可调的零场超导二极管效应。基于NbSe2中的谷塞曼自旋轨道相互作用（SOI），可通过施加预磁化的面外磁场来改变Fe3GeTe2的铁磁性，从而调节零场SDE的大小和极性。进一步，该团队利用可调的零场SDE实现了稳定的半波整流。二维铁磁/超导异质结构中可调的零场SDE为理解超导性和时间反演对称破缺的共存提供了直接的证据，也为制造二维超低功耗的电路带来了新的机会。
图文导读
图1（a）NbSe2中自旋动量锁定的示意图。（b）NbSe2在SOI和磁场作用下的谷自旋劈裂。（c）Fe3GeTe2/NbSe2异质结示意图。（d）Fe3GeTe2/NbSe2异质结光镜照片。（e）器件中两个通道的电阻随温度的变化曲线。（f）器件的伏安特性曲线。
图2（a）不同预磁化磁场下的I-V曲线。（b）随预磁化磁场变化的超导二极管效应。（c）随温度变化的超导临界电流。（d）随温度变化的超导二极管效应。
图3（a）和（c）随磁场变化的超导临界电流。（b）和（d）随磁场变化的超导二极管效应。（e）和（f）不同FGT的铁磁性作用下的NbSe2自旋相关的能带结构。
图4（a）和（b）在不同FGT的铁磁性作用下的超导二极管整流现象。
作者简介
中国科学院物理研究所高鸿钧-杨海涛团队长期致力于新型低维纳米材料的制备、物性和功能器件研究。主要利用化学气相沉积/传输和分子束外延等方法制备高质量的具有超导、磁性、拓扑等新奇物性的低维关联电子材料，重点研究有关马约拉纳零能模、非常规超导机制、量子反常霍尔效应、配对密度波、轨道序、自旋序等低维关联电子物性，探索构筑超导自旋电子学、超导隧穿异质结、铁电隧穿异质结等原理性器件。相关成果发表于Nature、Science及其子刊，Advanced Materials, Nano letters等国际高影响力期刊，详情见团队网站：https://n04.iphy.ac.cn/和https://n12.iphy.ac.cn/。
文章信息
Hu G, Han Y, Yu W, et al. Tunable zero-field superconducting diode effect in two-dimensional ferromagnetic/superconducting Fe3GeTe2/NbSe2 heterostructure. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907068.
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