北京大學(xué)研究人員在半導(dǎo)體-超導(dǎo)體復(fù)合器件研究中取得新進展

　　半導(dǎo)體-超導(dǎo)體復(fù)合量子器件因可用于容錯拓撲量子計算而備受關(guān)注。近日，北京大學(xué)電子學(xué)院、北京量子信息科學(xué)研究院(簡稱北京量子院)徐洪起教授課題組與北京量子院、中科院半導(dǎo)體所、中科院物理所等合作，研究了基于這類系統(tǒng)的約瑟夫森結(jié)在微波輻照下的超導(dǎo)二極管效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)通過增大微波輻照功率可使該約瑟夫森結(jié)具有單向超導(dǎo)電性，即零電壓Shapiro平臺僅存在于正負電流方向中的一個方向上，使約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)二極管的整流效率達到100%。2024年8月21日，相關(guān)成果以“Microwave-Assisted Unidirectional Superconductivity in Al-InAs Nanowire-Al Junctions under Magnetic Fields”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。
 

　　微波誘導(dǎo)單向超導(dǎo)電性——當(dāng)外加偏置電流方向反轉(zhuǎn)，超導(dǎo)系統(tǒng)的臨界電流可能出現(xiàn)關(guān)于電流方向不對稱的行為，這被稱為超導(dǎo)二極管效應(yīng)。該效應(yīng)在構(gòu)建低功耗邏輯器件以及探測奇異量子態(tài)方面具有重要應(yīng)用，近年來備受關(guān)注。先前關(guān)于超導(dǎo)二極管效應(yīng)的研究主要集中在靜態(tài)條件，且完全單向超導(dǎo)電性的行為較為罕見。徐洪起課題組與合作者采用InAs納米線和原位外延生長鋁薄膜組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)制作了約瑟夫森結(jié)，利用微波輻照改變超導(dǎo)臨界電流的不對稱行為，實現(xiàn)了對超導(dǎo)二極管效應(yīng)的調(diào)控。發(fā)現(xiàn)在有限磁場下，器件在沒有微波輻照時表現(xiàn)出十分微弱的超導(dǎo)二極管效應(yīng)(圖1b綠線和紅線)。但隨著微波輻照的開啟及其功率的增加，V-I曲線零電壓Shapiro臺階的中心位置逐漸偏離偏置電流零點，最終形成一個有趣的單向超導(dǎo)狀態(tài)，即零電壓Shapiro臺階僅出現(xiàn)在正負偏置電流中的一個方向上，而常規(guī)有電阻態(tài)則出現(xiàn)在零偏置電流附近(圖1d 紅線)。磁場角度依賴關(guān)系的測量進一步表明該現(xiàn)象是內(nèi)稟于系統(tǒng)的。
 

　　圖1. 微波輻照下的超導(dǎo)二極管效應(yīng)研究：(a)器件結(jié)構(gòu)和測量線路示意圖；(b—d)典型的測量結(jié)果
 

　　與先前理論對比——另一個有趣的地方是實驗中觀察到的零電壓Shapiro臺階中心位置隨微波輻照功率增加而移動的趨勢不支持先前理論研究中常用的RSJ(resistively shunted junction)模型的計算結(jié)果。根據(jù)RSJ模型的模擬計算，零電壓Shapiro臺階中心位置隨著微波功率的增加應(yīng)當(dāng)逐漸趨近電流偏置零點，而實驗觀察到的則是逐漸遠離零點(圖2)。這說明實驗中觀測到的效應(yīng)與先前常用的理論預(yù)言存在微觀機理上的區(qū)別。理解這種區(qū)別需要進一步通過提出新的微觀機理進行建模計算和相應(yīng)的實驗測量研究。
 

　　圖2. 實驗測得的Shapiro臺階隨微波輻照功率變化的演化趨勢。這里展示了對兩個器件(Device A and Device B)在不同輻照微波頻率下的測量結(jié)果，每幅圖中的雙箭頭指示了測量過程中的偏置電流的掃描方向。結(jié)果顯示：零電壓平臺隨著微波輻照功率變化而移動
 

　　這項工作將推動超導(dǎo)二極管器件的高頻動力學(xué)研究，也為研究約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)中的對稱性破缺提供了一種靈敏的探測方案。未來，高質(zhì)量可調(diào)控半導(dǎo)體-超導(dǎo)體復(fù)合量子器件在周期場驅(qū)動下的內(nèi)稟物理問題也值得做進一步探索。
 

　　該成果第一作者為北京大學(xué)博士生蘇海天，共同通訊作者為中科院半導(dǎo)體所研究員潘東，北京量子院副研究員張潑，徐洪起。合作者還包括北京大學(xué)博士生高涵和羅毅，北京量子院副研究員王積銀、助理研究員顏世莉和吳幸軍，中科院物理所博士生李國安、特聘研究員沈潔和研究員呂力，中科院半導(dǎo)體所研究員趙建華。該工作得到國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會支持。器件加工得到北京大學(xué)校級微納加工實驗室、北京量子院微納加工平臺、北京懷柔綜合極端條件實驗裝置微納加工實驗室的支持。