半导体二极管与晶体管是现代电子工业的基石，它们是构建超大规模集成电路的最基础电子元件。半导体二极管常以P-N结或肖特基结为基础，核心是其单向导通特性。在正向偏压下时，P-N结处于导通状态，允许电流通过，开启电压低；而在反向偏压下，P-N结处于截止状态，电流几乎无法通过，反向击穿电压高。不同于半导体材料，超导体具有宏观量子效应，电流可以无阻地流通超导体。由于超导体的超流特性，研制超导二极管似乎难以实现。直到2020年，日本京都大学Teruo Ono研究组在[Nb/V/Ta]40超晶格中通过施加横向磁场首次实现超导二极管现象。此后，科研人员分别在不同的量子系统中实现了超导二级管效应或超导约瑟夫森结二极管。然而这些超导二极管结构较为复杂，难以构建大规模超导集成电路，因此如何利用常规超导体结合成熟的半导体微纳工艺技术研制稳定可靠的超导二极管是是超导电子学的研究热点之一。而在超导电子学最常用的s波超导体中，由于其各向同性的超导电性，难以研制具有单向导通特性的超导二极管。
近日，中国科学院上海微系统所尤立星、李浩团队利用超导电流的拥堵效应（crowding effect）成功在超导纳米线中实现了超导二极管效应。相关研究成果以《不对称超导纳米线中的二极管效应（Superconducting Diode Effect in a Constricted Nanowire）》为题，发表在Advanced Quantum Technologies期刊上。
超导纳米线是维度最低、宏观尺寸最小的超导电子学元件，它有望构建具有高集成度的新型超导逻辑器件与逻辑电路，如N-tron与Y-tron、纳米线二极管与晶体管等新型超导量子器件。而在电流稳定流动的超导微纳结构中，任意的空间尺寸扩张或收缩都将引起超导序参量的空间涨落，导致超导临界电流的减小（电流拥堵效应），因此通过在超导纳米线上引入一个微小的收缩或扩张区域，即可构建出具有非互易电输运特性的超导纳米线二极管。超导纳米线二极管的结构如图1(a)所示，超导纳米线采用超导电子学最常用的超导体之一: NbTiN超导薄膜。通过施加一个较小的外磁场，不对称超导纳米线即展现出了明显的非互易电输运特性，其正向临界电流与反向临界电流存在着明显的差异。
图1 a. 超导纳米线二极管的扫描电镜图。b. 超导纳米线二极管的非互易电输运特性。
此外，研究人员还利用超导纳米线二极管演示了其对方波和正弦波的整流特性，如图2所示。当给超导纳米线二极管施加一个幅值处于正向临界电流和反向临界电流之间的一个方波或正弦波信号时，由于超导纳米线二极管的非互易电输运特性，其只在单一方向上偏置电流可以无阻地流通，在反方向上则输出相应的电压信号。
图2 超导纳米线二极管的整流效应
该论文入选期刊当期的正文封面（Front Cover），近日还获得了2024年第二季度威立Wiley中国高贡献作者奖。论文第一作者为上海微系统所副研究员张孝富，研究生郇庆昌和马若岩。通讯作者为上海微系统所张孝富、尤立星。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/qute.202300378
