近日，意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心王健教授課題組與美國波士頓學院物理系汪自強教授👩🏿‍🎤👩🏻‍💻、中國人民大學物理學院劉易副教授等合作，在銅氧化物超導體Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ薄片器件中觀測到了零磁場下的高達72開爾文（液氮溫區附近）的高溫超導二極管效應🤽🏼‍♀️。該研究成果為無耗散電子電路的開發應用開辟了新路徑🙇，並為零磁場超導二極管效應和高溫超導體中的對稱性破缺提供了新理解🚹。這一工作以《銅氧化物高溫超導體中的高溫零磁場超導二極管效應》（High-temperature field-free superconducting diode effect in high- T _c cuprates）為題，於2025年1月9日發表於學術期刊《自然 ∙ 通訊》（Nature Communications）。

非互易性是一種由材料對稱性破缺引起的特性，在電輸運測量中體現為材料對相反方向電流的電壓響應不同，即電阻隨電流方向的變化而改變🙇🏻‍♂️。常見的半導體二極管中的p-n結就是一種典型的具有非互易性的材料，由於空間化學勢分布不均，其空間反演對稱性自發破缺🧔🏽‍♂️🧗。當電流正向流過p-n結時電阻較小💁，而當電流反向流過結區時電阻變為極大🔹。這種特性使得在p-n結中能夠實現半波整流效應🐒，因此半導體二極管逐漸成為了現代電子電路的基礎邏輯運算元件。然而，半導體二極管在使用時不可避免會發熱，這極大增加了其能耗🫦，也阻礙了其在電路中的進一步集成。超導體因具有零電阻的特性，能夠在電傳輸時實現零損耗🧑🏻‍🎄。如果能在超導體中實現非互易輸運，就有望實現同時具備邏輯運算能力與低功耗性能的電路元件——超導二極管⛹️。對於一個超導二極管，其典型特征是正向與反向的臨界電流不同。當施加電流的幅值處於正負臨界電流的中間值時👮‍♀️，電流朝一個方向流動，材料表現為超導態，而當電流反向時💁🏽‍♀️，材料表現為有限電阻態。這種特性使得超導二極管同樣可以實現半波整流特性，因此超導二極管具備成為低功耗邏輯電路的基礎運算元件的潛能。

通常來說💂🏼‍♀️𓀅，超導二極管效應的出現需要空間反演對稱性和時間反演對稱性同時破缺。在超導體系中💍，非中心對稱的超導體和人工構建具有非對稱結構的異質結是實現空間反演對稱性破缺的常用方法，外加磁場是破壞時間反演對稱性的有效手段。截至目前，在外加磁場下🐇，超導二極管效應已在非中心對稱的超晶格👨🏿‍🎓、約瑟夫森結、微納加工的超導器件和超導薄膜等體系中被觀測到🏋️。此類超導二極管效應需要外加磁場才能產生，實際應用於電子電路中仍有難度🎭。因此，零磁場下超導二極管效應的開發將會提升其在低耗散電子電路中的應用潛能。在一些約瑟夫森結和微納器件之中🔶，零磁場下的超導二極管效應已被觀測到，其空間反演對稱性破缺多來自於器件結構本身的不對稱，而時間反演對稱性破缺來源於器件結構中的磁性層、谷極化以及電流引起的退簡並等效應👩🏿‍🏫。目前已有報道的零磁場下的超導二極管效應往往工作溫度比較低🦸🏽‍♂️，或者樣品結構比較復雜📢，這對於超導二極管的應用與集成仍舊是一種不利因素🙌🏻。因此💱，尋找高工作溫度、構型簡單且不需要外加磁場的超導二極管對於開發低功耗電子電路具有重要意義。

王健課題組通過室溫解理、電子束曝光和低溫解理🧙🏽、幹式轉移兩種方法成功製備出銅氧化物高溫超導體Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ （BSCCO）薄片器件，並用標準四極法對其開展了系統的電輸運測量實驗👩🏼‍🎨。研究發現♊️，在零磁場下⛹🏻‍♀️，BSCCO器件超導態的正負臨界電流不對稱（圖1）🧜🏼，這是超導二極管效應的典型特征。當施加幅值在正負臨界電流之間的方波電流時🐣，BSCCO器件出現半波整流效應🏙，進一步確認了超導二極管效應的存在。該半波整流效應在超過200個周期的方波電流下依然能夠穩定存在🩵😧，證明了BSCCO器件中超導二極管效應的高穩定性🧑🏻‍🦽‍➡️。此外🫰😄，研究團隊通過變溫實驗發現🥓，該超導二極管效應可從低溫到72K穩定存在，最終在75K消失，並在53K時達到最大效率22%。這種銅氧化物高溫超導器件中的零場超導二極管效應的工作溫度高🦹🏻‍♀️、效率高👩‍👧，且器件結構簡單，極大提升了超導二極管效應應用的可行性🕒。研究團隊通過兩種製備方法製備了8個BSCCO器件👯‍♀️🌗，並在不同測量設備均觀測到了零場超導二極管效應，表明二極管效應的出現與製備方法和測量設備無關。

圖1🧑🏿‍🚀：a，BSCCO器件（樣品1）的電壓隨電流的變化曲線🏌🏽；b，BSCCO器件在溫度53K時超導二極管效應存在的證據——正負臨界電流不相等；c👩‍👧，BSCCO器件的半波整流效應⛷；d🏃🏻‍♂️‍➡️，半波整流效應的穩定性👨🏿‍🍳；e👶🏿，臨界電流隨溫度的變化曲線👭；f☁️，超導二極管效率隨溫度的變化曲線

為了進一步確認該超導二極管效應的零磁場特性👨‍👩‍👧‍👦，研究團隊對BSCCO器件的磁場響應進行了細致表征🏄🏼‍♀️。研究發現🧖‍♂️，BSCCO器件的正負臨界電流和超導二極管的效率均呈現出關於零磁場對稱的結構，二極管效率在零磁場時最大（圖2e）💋，這與外加磁場誘導的超導二極管效應的磁場響應截然不同👨🏽‍🦱。外加磁場誘導的超導二極管效率關於磁場呈反對稱，在零磁場時效率應當為零🫵。因此，BSCCO器件中的超導二極管效應來源於器件自身的非互易性，而非外部因素。BSCCO器件的翻轉實驗進一步證實了這一點👂🏽。將BSCCO器件在測量系統內翻轉180度後🧛🏻‍♂️，其超導二極管效應的極性與翻轉前一致🔃，排除了外部剩磁引起超導二極管效應的可能性（圖2b和2d）🧎‍♀️‍➡️。此外，研究團隊用同樣的測量設備與測量步驟在Nb薄膜器件中開展了對照實驗🦹🏻‍♂️，Nb器件在零磁場下沒有超導二極管效應🗜，外加小磁場時能夠誘導出二極管效應，且效率關於磁場反對稱，該對照實驗也證實了BSCCO器件中超導二極管效應的零磁場特性。

圖2➔：a，BSCCO器件（樣品6）零磁場下電阻隨溫度的變化曲線；b，BSCCO器件中電壓隨電流的變化曲線；c，BSCCO器件的半波整流效應；d，BSCCO器件翻轉180度後的電壓隨電流的變化曲線；e🍵，BSCCO器件臨界電流與超導二極管效率關於零磁場對稱

超導二極管效應的出現需要空間反演對稱性和時間反演對稱性同時破缺，因此BSCCO器件中零場超導二極管效應的發現表明銅基超導體中可能存在空間和時間反演對稱性破缺。有理論提出在銅基超導體系贗能隙溫度以下存在沿銅氧原子的環形電流，晶體空間對稱性會降低，且該環形電流存在持續進入超導態的可能性。該模型為銅基高溫超導體系內可能存在的時間和空間反演對稱性破缺提供了理論解釋。在過去幾十年的研究中，不同課題組通過角分辨光電子能譜、極化中子散射🐁、磁光克爾效應測量等實驗技術手段在Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ🧑‍🎓、YBa₂Cu₃O_{6+ x}👩🏽‍🎨🪽、La_2-xBa_xCuO₄等多種銅基超導體系中觀測到了贗能隙溫度以下時間和空間反演對稱性破缺的可能證據，但相關實驗結果及分析仍有爭議🛰，對於相關對稱性是否自發破缺未有定論🤦‍♂️。因此，BSCCO器件中的零磁場超導二極管效應的發現不僅提升了高溫超導體以及超導二極管效應在低耗散器件中應用的可能性🙇🏽，還將會激發更多關於銅基超導體中是否存在本征的時間和空間反演對稱性破缺的理論與實驗研究。

該工作中，意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心博士生齊世超、特聘副研究員葛軍、博士生冀成成為共同第一作者，王健為通訊作者👩🏿‍🦰。該工作得到了國家自然科學基金和北京市自然科學基金的支持。