本文介绍了北京大学的王健教授团队在Nature Communications期刊上发表的文章，该文章报道了在高温超导体Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ薄片器件中观察到的无磁场高温超导二极管效应（SDE）。该工作在简单的高温超导体薄片器件中实现了高温无磁场SDE，为节能计算架构的实现开辟了道路，同时也为理解高温超导体中的对称性破缺提供了宝贵见解。
非互易电荷输运现象源于材料的对称性破缺特性，半导体中的p-n结是非互易性的典型例子。超导二极管效应的实现需要同时破坏反演对称性和时间反演对称性。
北京大学的王健教授团队在Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ薄片器件中观察到无磁场高温SDE，其工作温度可达72 K，在53 K时效率高达 22%。长时间尺度的整流效应证实了SDE的稳定性。
该工作在简单的高温超导体薄片器件中实现了高温无磁场SDE，为实现节能计算架构开辟了道路，同时也为理解非常规高温超导体中的对称性破缺提供了宝贵见解。
图文导读部分展示了研究成果的相关图表，包括Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ器件的表征和超导特性、超导二极管效应的温度和磁场依赖关系等。
该研究观察到的无磁场SDE的详细机制以及可能的时间反演和反演对称性破缺的起源仍需进一步研究。该工作显著推进了无耗散器件应用的可行性和潜力。
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【研究背景】
非互易电荷输运现象源于材料的对称性破缺特性，体现为电流在相反方向流动时电压表现出的不对称行为。半导体中的p-n结是非互易性的典型例子，由于化学势分布的不平衡，其反演对称性自然被打破。当电流流经这种半导体二极管时，一个方向的电阻很小，而在相反方向则变得极大，从而产生半波整流效应。稳定的半波整流效应使半导体二极管能够作为电子电路中的基础元件。然而，半导体二极管中不可避免的焦耳热会增加能耗，阻碍了电路的进一步集成。
在电子电路中实现低功耗的一个实用方法是利用超导二极管，其在一个方向（正向）的临界电流与相反方向（负向）的幅值不同。当施加幅值介于这两个不同临界电流之间的单向电流时，超导二极管在一个方向保持零电阻态，而在电流方向反转时变为有电阻态。通常，超导二极管效应（SDE）的出现需要同时破坏反演对称性和时间反演对称性（TRS）。迄今为止，在磁场下的各种非中心对称超晶格、Josephson结、纳米加工器件和薄膜中都观察到了SDE。反演对称性的破缺可能来自堆叠异质结构、晶格、人工器件构型、器件边缘和界面的不对称性，而时间反演对称性的破缺通常通过施加外磁场实现。有趣的是，在一些超导系统中报道了零场SDE，其中时间反演对称性的破缺源于磁性层的铁磁性、谷极化、自场效应和困在Abrikosov涡旋中的杂散场、界面磁性、电流诱导的简并度降低以及动态超导区域。然而，这些超导二极管的工作温度相对较低，且/或二极管器件结构相当复杂，这阻碍了其在电路中的应用。在简单结构中实现具有显著效率的无磁场高温超导二极管对于探索低功耗电子学的潜在应用以及探测非常规超导体中的时间反演和反演对称性破缺具有重要意义。
【成果介绍】
鉴于此，
北京大学的王健教授团队发表了题为“High-temperature field-free superconducting diode effect in high-
T
c
cuprates”的文章在Nature Communications期刊上。
该工作报道了在高温超导体Bi
2
Sr
2
CaCu
2
O
8+δ
(BSCCO) 薄片器件中观察到的无磁场高温SDE。在零磁场下观察到非互易临界电流，支持了无磁场SDE的存在。更重要的是，无磁场SDE的工作温度可达72 K，在53 K时效率高达 22%。长时间尺度的整流效应进一步证实了SDE的稳定性。该工作在简单的高温超导体薄片器件中观察到高温无磁场SDE，为实现节能计算架构开辟了道路，同时也为理解非常规高温超导体中的对称性破缺提供了宝贵见解。
【图文导读】
图 1.
Bi
2
Sr
2
CaCu
2
O
8+δ
(BSCCO) 器件s1的表征和超导特性。a
双层BSCCO单胞的晶体结构示意图。
b
零磁场下2 K至300 K温度范围内电阻
R
(
T
)的温度依赖关系。
c
BSCCO器件的原子力显微镜（AFM）形貌图和相应的高度剖面，显示厚度为53.5 nm。
d
不同垂直磁场（沿c轴）下的
R
(
T
)曲线，从0 T（紫线）到15 T（红线）。
e
从（
d
）中
R
(
T
)曲线提取的垂直临界磁场
B
c
的温度依赖关系。
图 2.
BSCCO薄片器件s1中零磁场下的高温超导二极管效应（SDE）。a
在53 K下，通过从负向到正向（正向扫描，橙线）和从正向到负向（负向扫描，紫线）扫描电流测量的
V
-
I
曲线。
b
在53 K下包含0-P（从零到正向扫描，橙线）和0-N（从零到负向扫描，紫线）分支的
V
-
I
曲线。
c
在53 K零磁场下测量的半波整流。
d
在200个周期（超过3小时）中观察到的整流响应。
e
在零磁场下从0-P和0-N分支获得的
I
c+
和|
I
c-
|随温度的变化。
f
二极管效率
η
的温度依赖关系。
图 3.
器件s1中SDE的磁场依赖关系。a
在30 K下，从0-P和0-N分支获得的
I
c+
和|
I
c-
|（上图）以及二极管效率
η
（下图）随垂直磁场的变化。
b
在30 K下2 mT垂直磁场中包含0-P（橙色）和0-N（紫色）分支的不对称
V
-
I
曲线。
c
在30 K下2 mT垂直磁场中的半波整流。
图 4.
BSCCO薄片器件s8中的零场SDE。a
零磁场下电阻的温度依赖关系。
b
器件s8的AFM形貌图和相应的高度剖面。
c
在60 K下包含0-P（橙线）和0-N（紫线）分支的
V
-
I
曲线。
d
二极管效率η的温度依赖关系。
图 5.
BSCCO薄片器件s6中的零场SDE。a
零磁场下电阻的温度依赖关系。
b
在30 K和0°下包含0-P（橙线）和0-N（紫线）分支的
V
-
I
曲线。
c
在30 K零磁场下测量的半波整流。
d
在30 K和180°下包含0-P（橙线）和0-N（紫线）分支的
V
-
I
曲线。
e
在30 K下从0-P和0-N分支获得的
I
c+
和|
I
c-
|（上图）以及二极管效率η（下图）随垂直磁场的变化。
【总结展望】
总之，本文所观察到的无磁场SDE的详细机制以及BSCCO薄片中可能存在的时间反演和反演对称性破缺的起源仍有待未来进一步研究。本工作在简单的BSCCO薄片中观察到零外加磁场下的高温SDE，这为高温超导体中新兴的非互易性研究开辟了新天地，并显著推进了无耗散器件应用的可行性和潜力。
【文献信息】
