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南京大学与多个国际研究组合作设计出了一种可调控的超导二极管器件

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-05-21   来源:材料科学与工程  浏览次数:284
具有单向导电特性的二极管是电子电路中最基本的单元器件之一,几乎存在于所有的电子电路和芯片中,其发展对现代电子信息社会的进步起到了巨大的推进作用。对于常见的半导体二极管,由于半导体材料本身存在有限的电阻,二极管工作时不可避免的存在能量损耗。而超导材料具有完全的零电阻效应,使得超导电子器件具有天然的超低功耗的优点。但是长期以来,实现具有单向超流输运(单向零电阻态)的超导二极管一直是超导电子学领域的一大难点。
 
南京大学
图:超导薄膜中引入保角变换纳米孔洞阵列实现可调控的超导二极管效应。a, 超导薄膜上制备的由三角格子保角变换获得的纳米孔洞阵列。插图为超导二极管器件的照片和测试接线图;b,电流驱动的超导-正常态转变在正负电流下的不对称表明实现了超导二极管效应;c, 温度调控的二极管整流效应。插图为磁场调控的二极管开关和极性翻转
 
近日,南京大学吴培亨院士领导的超导电子学研究所吕阳阳博士、王永磊教授和王华兵教授等人与美国阿贡国家实验室、浙江大学和比利时安特卫普大学等多个国际研究组合作设计出了一种可调控的超导二极管器件(图a)。通过在超导薄膜上制备具有保角变换(一种在保持晶格局域排列结构下形成梯度分布的变换)的纳米孔洞阵列实现样品中空间反演对称性的破缺(一种空间上的不对称性),同时通过施加磁场产生时间反演对称性破缺(时间反演操作下的不对称性),不但成功实现了具有单向零电阻效应的超导二极管效应(图b),而且可以实现二极管整流信号的原位开关、极性反转和整流幅度调节(图c)。利用该超导二极管实现的超导整流信号强度比该研究组三年前利用人工自旋冰和超导异质结构器件制备的磁通量子二极管的整流信号大三个数量级。该工作为开发超低功耗的超导电路和芯片、促进现代超导电子学的发展提供了一种新方法、新器件。
 
该研究组长期致力于超导电子器件的研究,未来不但将继续探索新的超导二极管原理,还将研究更加实用化的超导二极管,包括优化超导二极管的性能、提升工作温度、简化器件制备工艺和研制无需外部施加磁场的超导二极管。
 
该研究成果近期发表于《Nature Communications》期刊上。南京大学为该论文第一单位。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省科技厅、南京紫金山实验室等的支持。
 
论文链接:
 
https://doi.org/10.1038/s41467-021-23077-0
 
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