半导体-超导体复合量子器件因可用于容错拓扑量子计算而备受关注。近日，北京大学电子学院、北京量子信息科学研究院(简称北京量子院)徐洪起教授课题组与北京量子院、中科院半导体所、中科院物理所等合作，研究了基于这类系统的约瑟夫森结在微波辐照下的超导二极管效应，发现通过增大微波辐照功率可使该约瑟夫森结具有单向超导电性，即零电压Shapiro平台仅存在于正负电流方向中的一个方向上，使约瑟夫森结超导二极管的整流效率达到100%。2024年8月21日，相关成果以“Microwave-Assisted Unidirectional Superconductivity in Al-InAs Nanowire-Al Junctions under Magnetic Fields”为题发表在Physical Review Letters上。
微波诱导单向超导电性——当外加偏置电流方向反转，超导系统的临界电流可能出现关于电流方向不对称的行为，这被称为超导二极管效应。该效应在构建低功耗逻辑器件以及探测奇异量子态方面具有重要应用，近年来备受关注。先前关于超导二极管效应的研究主要集中在静态条件，且完全单向超导电性的行为较为罕见。徐洪起课题组与合作者采用InAs纳米线和原位外延生长铝薄膜组成的复合结构制作了约瑟夫森结，利用微波辐照改变超导临界电流的不对称行为，实现了对超导二极管效应的调控。发现在有限磁场下，器件在没有微波辐照时表现出十分微弱的超导二极管效应(图1b绿线和红线)。但随着微波辐照的开启及其功率的增加，V-I曲线零电压Shapiro台阶的中心位置逐渐偏离偏置电流零点，最终形成一个有趣的单向超导状态，即零电压Shapiro台阶仅出现在正负偏置电流中的一个方向上，而常规有电阻态则出现在零偏置电流附近(图1d 红线)。磁场角度依赖关系的测量进一步表明该现象是内禀于系统的。
图1. 微波辐照下的超导二极管效应研究：(a)器件结构和测量线路示意图；(b—d)典型的测量结果
与先前理论对比——另一个有趣的地方是实验中观察到的零电压Shapiro台阶中心位置随微波辐照功率增加而移动的趋势不支持先前理论研究中常用的RSJ(resistively shunted junction)模型的计算结果。根据RSJ模型的模拟计算，零电压Shapiro台阶中心位置随着微波功率的增加应当逐渐趋近电流偏置零点，而实验观察到的则是逐渐远离零点(图2)。这说明实验中观测到的效应与先前常用的理论预言存在微观机理上的区别。理解这种区别需要进一步通过提出新的微观机理进行建模计算和相应的实验测量研究。
图2. 实验测得的Shapiro台阶随微波辐照功率变化的演化趋势。这里展示了对两个器件(Device A and Device B)在不同辐照微波频率下的测量结果，每幅图中的双箭头指示了测量过程中的偏置电流的扫描方向。结果显示：零电压平台随着微波辐照功率变化而移动
这项工作将推动超导二极管器件的高频动力学研究，也为研究约瑟夫森结系统中的对称性破缺提供了一种灵敏的探测方案。未来，高质量可调控半导体-超导体复合量子器件在周期场驱动下的内禀物理问题也值得做进一步探索。
该成果第一作者为北京大学博士生苏海天，共同通讯作者为中科院半导体所研究员潘东，北京量子院副研究员张泼，徐洪起。合作者还包括北京大学博士生高涵和罗毅，北京量子院副研究员王积银、助理研究员颜世莉和吴幸军，中科院物理所博士生李国安、特聘研究员沈洁和研究员吕力，中科院半导体所研究员赵建华。该工作得到国家自然科学基金委和中国科学院青年创新促进会支持。器件加工得到北京大学校级微纳加工实验室、北京量子院微纳加工平台、北京怀柔综合极端条件实验装置微纳加工实验室的支持。
