【儀器網(wǎng) 技術(shù)前沿】半導(dǎo)體-超導(dǎo)體復(fù)合量子器件因可用于容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算而備受關(guān)注。近日，北京大學(xué)電子學(xué)院、北京量子信息科學(xué)研究院(簡(jiǎn)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(dǎo)體所、中科院物理所等合作，研究了基于這類系統(tǒng)的約瑟夫森結(jié)在微波輻照下的超導(dǎo)二極管效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)增大微波輻照功率可使該約瑟夫森結(jié)具有單向超導(dǎo)電性，即零電壓Shapiro平臺(tái)僅存在于正負(fù)電流方向中的一個(gè)方向上，使約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)二極管的整流效率達(dá)到100%。2024年8月21日，相關(guān)成果以“Microwave-Assisted Unidirectional Superconductivity in Al-InAs Nanowire-Al Junctions under Magnetic Fields”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。
 

　　微波誘導(dǎo)單向超導(dǎo)電性——當(dāng)外加偏置電流方向反轉(zhuǎn)，超導(dǎo)系統(tǒng)的臨界電流可能出現(xiàn)關(guān)于電流方向不對(duì)稱的行為，這被稱為超導(dǎo)二極管效應(yīng)。該效應(yīng)在構(gòu)建低功耗邏輯器件以及探測(cè)奇異量子態(tài)方面具有重要應(yīng)用，近年來(lái)備受關(guān)注。先前關(guān)于超導(dǎo)二極管效應(yīng)的研究主要集中在靜態(tài)條件，且完全單向超導(dǎo)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(zhǎng)鋁薄膜組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)制作了約瑟夫森結(jié)，利用微波輻照改變超導(dǎo)臨界電流的不對(duì)稱行為，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超導(dǎo)二極管效應(yīng)的調(diào)控。發(fā)現(xiàn)在有限磁場(chǎng)下，器件在沒有微波輻照時(shí)表現(xiàn)出十分微弱的超導(dǎo)二極管效應(yīng)(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(tái)階的中心位置逐漸偏離偏置電流零點(diǎn)，最終形成一個(gè)有趣的單向超導(dǎo)狀態(tài)，即零電壓Shapiro臺(tái)階僅出現(xiàn)在正負(fù)偏置電流中的一個(gè)方向上，而常規(guī)有電阻態(tài)則出現(xiàn)在零偏置電流附近(圖1d 紅線)。磁場(chǎng)角度依賴關(guān)系的測(cè)量進(jìn)一步表明該現(xiàn)象是內(nèi)稟于系統(tǒng)的。
 

　　圖1. 微波輻照下的超導(dǎo)二極管效應(yīng)研究：(a)器件結(jié)構(gòu)和測(cè)量線路示意圖；(b—d)典型的測(cè)量結(jié)果
 

　　與先前理論對(duì)比——另一個(gè)有趣的地方是實(shí)驗(yàn)中觀察到的零電壓Shapiro臺(tái)階中心位置隨微波輻照功率增加而移動(dòng)的趨勢(shì)不支持先前理論研究中常用的RSJ(resistively shunted junction)模型的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)RSJ模型的模擬計(jì)算，零電壓Shapiro臺(tái)階中心位置隨著微波功率的增加應(yīng)當(dāng)逐漸趨近電流偏置零點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)觀察到的則是逐漸遠(yuǎn)離零點(diǎn)(圖2)。這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的效應(yīng)與先前常用的理論預(yù)言存在微觀機(jī)理上的區(qū)別。理解這種區(qū)別需要進(jìn)一步通過(guò)提出新的微觀機(jī)理進(jìn)行建模計(jì)算和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究。
 

　　圖2. 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Shapiro臺(tái)階隨微波輻照功率變化的演化趨勢(shì)。這里展示了對(duì)兩個(gè)器件(Device A and Device B)在不同輻照微波頻率下的測(cè)量結(jié)果，每幅圖中的雙箭頭指示了測(cè)量過(guò)程中的偏置電流的掃描方向。結(jié)果顯示：零電壓平臺(tái)隨著微波輻照功率變化而移動(dòng)
 

　　這項(xiàng)工作將推動(dòng)超導(dǎo)二極管器件的高頻動(dòng)力學(xué)研究，也為研究約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)中的對(duì)稱性破缺提供了一種靈敏的探測(cè)方案。未來(lái)，高質(zhì)量可調(diào)控半導(dǎo)體-超導(dǎo)體復(fù)合量子器件在周期場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的內(nèi)稟物理問(wèn)題也值得做進(jìn)一步探索。
 

　　該成果第一作者為北京大學(xué)博士生蘇海天，共同通訊作者為中科院半導(dǎo)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(xué)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(guó)安、特聘研究員沈潔和研究員呂力，中科院半導(dǎo)體所研究員趙建華。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)支持。器件加工得到北京大學(xué)校級(jí)微納加工實(shí)驗(yàn)室、北京量子院微納加工平臺(tái)、北京懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置微納加工實(shí)驗(yàn)室的支持。