根据已建立的物理学,原则上可以设计出高效的超导二极管superconducting diodes。然而,新出现的概念,必须与已知的机制相结合,方能以解锁整流和频率转换的功能。
在零电压条件下,超导二极管在一个方向上携带无耗散的超电流,但在有限电压下,却在相反方向上携带电阻性正常电流。当临界电流 Ic,在相反极性下具有不同的幅值时,就会发生这种现象:。如果施加大小落在这两个值之间的交流电流,则超导二极管,可提供完美的电压整流。
基本的对称性分析,有助于理解二极管和超导二极管的异同。一般来说,非互易non-reciprocal输运要求,不存在使电流符号反转的空间对称性,包括镜像对称性和旋转对称性。在半导体二极管中,这自然是通过p–n结(半导体中不同掺杂区域之间的界面)处,化学势的急剧变化,进而实现的。这种对称性要求,也适用于超导二极管,并可以像在非中心对称晶体结构中那样,在原子水平上打破空间对称性,也可以通过异质结构设计,在宏观上打破空间对称性。
然而,当涉及到时间反演对称性时,这两种类型(二极管和超导二极管),就不一样了。任何单粒子输运现象,最终都是对外加电势的响应。因此,时间反演time reversal,永远不是传导过程的对称性,因为必须同时改变电势符号,才能获得相同电流。因此,半导体二极管是时间反演对称的。
超导二极管却存在根本的不同。超导体携带没有电压梯度的持续电流,因此,即使改变电流符号的所有空间镜像对称性都被破坏,单独的时间反演操作,也可能逆转电流流动。为此,两种类型的二极管,都需要破坏相关的镜像对称性,但是,只有超导二极管,必须额外破坏时间反演对称性。时间反演对称性的破缺,可以来自外加磁场、材料中的磁序,或网络中的循环持续电流,例如,在超导量子干涉器件superconducting quantum interference device(SQUID,一种包含两个约瑟夫森结的超导回路,由于其宏观相位相干性而对磁场产生强烈响应)中,循环的电流。因为迈斯纳效应Meissner effect的屏蔽作用,超导体具有很强的磁性,并且因其捕获磁通的能力,超导体可以成为强大的磁体。在实际的超导样品中,特别是在外加传输电流和相关的自场中,确保真正的时间反演对称性是实战挑战之一。
在二极管和超导二极管之间,另一个主要区别是超导体中存在长程相位相干,从而放大了较小缺陷的对称破缺效应,这些小缺陷就是单粒子响应的有效平均。即使在表面上对称的超导带中,边界处的单个微小缺陷也可以作为携带磁通量量子涡旋的进入点,该涡旋意外地破坏了镜像对称性,从而导致薄膜作为整体临界电流的极性依赖性(图1a)。当存在垂直于薄膜的外加场时,不对称涡旋放大进入的一种微观机制,正归因于表面势垒的改变1。
图1:超导二极管的设计。
这带来了常见的误解,即因为避免这些条件是很难实现的,所以超导二极管行为应该是一种规则,而不是实际材料中的例外。在实际应用中,需要超导二极管,并且已经使用常规超导材料的光刻处理,用以制造高效且可调的超导二极管。这些良好控制和可扩展的材料平台,为开发现实世界应用的实际设备工程挑战,提供了极好的起点。
通常,超导二极管效率是临界电流差的量化,而临界电流差是归一化的总电流。因为在薄膜中,随机边缘伪影,容易观察到约10%效率1。然而,基于增强对称破缺项,可以提高该项效率。目前已经建立了多种途径,例如,将常规超导体与薄铁磁层相结合,例如Nb/V/Co三明治结构2。最近,在铁磁硫化铕EuS上生长钒膜中,证明了大约65%效率3。
因为超导体可以捕获磁通,所以即使在零外加磁场下,当涡旋被捕获在工程钉扎位置时,本身也可以产生所需的磁场。通过将单个涡旋不对称地放置在长约瑟夫森结(夹在两个超导体之间的正常导体)附近4,从而消除了对外场的需要,并使超导二极管的正向可翻转,已经证明了高效可翻转超导二极管。
这项工作,是建立在磁通量景观设计的成熟领域,旨在增强结构的不对称性,例如,涡旋棘轮效应vortex ratcheting的非互易动力学,以实现不对称反点阵列中的信号校正5。在尺度不变的人工钉扎景观(如保形映射阵列6)中,已经证明了更宽的温度和磁场范围。在异质晶格中,进一步设计了强烈的空间不对称性,以一种明确设计的方式,堆叠常规超导体,以实现镜像对称性破缺7。
长而不均匀的约瑟夫森结,也可用作超导二极管8,9(图1b,c)。在非均匀结中,约瑟夫森涡旋的动力学,导致了约瑟夫森临界电流的显著极性依赖性,这在实验和理论上,都得到了很好的研究10,11。在该领域中,超导二极管效应,通常称之为当磁场方向反向时,不对称的临界电流。当因外场而引起的时间反演对称破缺时,这相当于超导二极管。因为在这种情况下,相同极性临界电流的场极依赖性,相当于相同场极性的电流-极性依赖性。
在常规材料中,超导二极管效应的普遍性,为正在进行的奇异量子材料中非互易效应探索,提供了有用的实验基准,例如,基于相关相位的对称性破缺、有限动量配对和螺旋态等想法12,13,14。这些想法描述了去对de-pairing临界电流中的非互易性,尽管在实践中,经常在低得多的有效临界电流值时,涡旋去钉扎 de-pinning才触发动态转变。考虑到超导二极管行为的频繁发生,在区分明显的新效应和已建立的效应时,特别是在效率较低时,必须谨慎。