具有單向導電特性的二極管是電子電路中最基本的單元器件之一，幾乎存在于所有的電子電路和芯片中，其發展對現代電子信息社會的進步起到了巨大的推進作用。對于常見的半導體二極管，由于半導體材料本身存在有限的電阻，二極管工作時不可避免的存在能量損耗。而超導材料具有完全的零電阻效應，使得超導電子器件具有天然的超低功耗的優點。但是長期以來，實現具有單向超流輸運（單向零電阻態）的超導二極管一直是超導電子學領域的一大難點。
圖：超導薄膜中引入保角變換納米孔洞陣列實現可調控的超導二極管效應。a, 超導薄膜上制備的由三角格子保角變換獲得的納米孔洞陣列。插圖為超導二極管器件的照片和測試接線圖；b,電流驅動的超導-正常態轉變在正負電流下的不對稱表明實現了超導二極管效應；c, 溫度調控的二極管整流效應。插圖為磁場調控的二極管開關和極性翻轉
近日，南京大學吳培亨院士領導的超導電子學研究所呂陽陽博士、王永磊教授和王華兵教授等人與美國阿貢國家實驗室、浙江大學和比利時安特衛普大學等多個國際研究組合作設計出了一種可調控的超導二極管器件（圖a）。通過在超導薄膜上制備具有保角變換（一種在保持晶格局域排列結構下形成梯度分布的變換）的納米孔洞陣列實現樣品中空間反演對稱性的破缺（一種空間上的不對稱性），同時通過施加磁場產生時間反演對稱性破缺（時間反演操作下的不對稱性），不但成功實現了具有單向零電阻效應的超導二極管效應（圖b），而且可以實現二極管整流信號的原位開關、極性反轉和整流幅度調節（圖c）。利用該超導二極管實現的超導整流信號強度比該研究組三年前利用人工自旋冰和超導異質結構器件制備的磁通量子二極管的整流信號大三個數量級。該工作為開發超低功耗的超導電路和芯片、促進現代超導電子學的發展提供了一種新方法、新器件。
該研究組長期致力于超導電子器件的研究，未來不但將繼續探索新的超導二極管原理，還將研究更加實用化的超導二極管，包括優化超導二極管的性能、提升工作溫度、簡化器件制備工藝和研制無需外部施加磁場的超導二極管。
該研究成果近期發表于《Nature Communications》期刊上。南京大學為該論文第一單位。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省科技廳、南京紫金山實驗室等的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-021-23077-0
