超導體是一種具有零電阻和完美抗磁性的物質，在低溫下由庫珀對形成。庫珀對是兩個相反自旋的電子通過交換聲子而形成的束縛態(tài)，它們可以在整個超導體中相干地移動，形成一個宏觀量子態(tài)。這種量子態(tài)可以支持無耗散的超電流，即使在斷開外部電源后也能持續(xù)流動。

超電流是一種非常有用的物理現(xiàn)象，它可以用于制造高效率的電力傳輸線、強大的磁體、高靈敏度的傳感器和快速的邏輯器件等。然而，目前存在一個重要的限制，那就是超電流是雙向對稱的，即正反方向的臨界超電流（即最大可持續(xù)超電流）是相等的。如果能夠打破這種對稱性，使得正反方向的臨界超電流不同，就可以實現(xiàn)一種新穎的功能，即超導二極管效應。

超導二極管效應是指一種非互易性或方向性的現(xiàn)象，即一個超導體在一個方向上允許更大的超電流通過，而在另一個方向上則抑制或阻斷超電流。這種效應可以用于實現(xiàn)單向傳輸、隔離、整流、邏輯和存儲等功能，在量子信息處理、量子計算和量子通信等領域具有潛在的應用價值。

實驗

為了實現(xiàn)超導二極管效應，我們需要引入一種機制來打破正反方向上臨界超電流的對稱性。發(fā)表在《物理評論快報》的一篇論文采用了兩種方法來實現(xiàn)這一目標：一種是利用外加磁場，在常規(guī)的超導薄膜中產(chǎn)生不對稱的渦旋分布；另一種是利用鐵磁半導體EuS，在超導薄膜中引入自旋極化的庫珀對。

研究人員首先制備了一系列的超導薄膜樣品，包括鈮、釩和鈮釩合金，厚度在10-100 nm之間。他們使用四探針法測量了樣品的電阻-溫度曲線，確定了它們的超導轉變溫度（Tc）。然后，他們在樣品上制作了微米尺寸的橋式結構，用于測量臨界超電流。他們在樣品上施加了一個小的直流偏置電流，并記錄了隨著溫度或磁場的變化而產(chǎn)生的電壓信號。當電流超過臨界值時，超導體將從超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)，產(chǎn)生一個有限的電壓信號。他們分別在正反方向上測量了臨界超電流，并計算了它們的比值，作為超導二極管效應的量度。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在零磁場下，正反方向上的臨界超電流是相等的，沒有觀察到超導二極管效應。然而，當他們在樣品平面內(nèi)施加一個小的磁場時，觀察到了明顯的超導二極管效應，即正反方向上的臨界超電流不同。這種效應隨著磁場的增大而增強，直到達到一個飽和值。他們發(fā)現(xiàn)，這種效應與樣品的厚度、材料和結構有關，但與樣品的幾何形狀無關。他們還發(fā)現(xiàn)，這種效應在低溫和高溫區(qū)域都存在，但在接近超導轉變溫度時更加明顯。

解釋

為了解釋這種現(xiàn)象，研究人員考慮了兩種可能的機制：一種是渦旋邊界勢壘，另一種是邁斯納屏蔽電流。

渦旋是一種局域化的磁通量量子，在超導體中形成一個正常態(tài)核心和一個旋轉的超電流環(huán)繞。當外加磁場大于某個臨界值時，渦旋可以進入超導體，并在其內(nèi)部形成一個規(guī)則或無序的陣列。渦旋可以在超導體中移動，并受到不同類型的勢壘或阻力的影響。

其中一種勢壘是由于渦旋與超導體邊界或表面之間的相互作用而產(chǎn)生的。當渦旋靠近邊界或表面時，它們會感受到一個排斥力，使得它們更難進入或離開超導體。這種勢壘會影響臨界超電流，因為當外加電流大于某個值時，渦旋將被迫移動，并與勢壘相互作用。

邁斯納屏蔽電流是由于超導體對外加磁場的完美抗磁性而產(chǎn)生的。當外加磁場改變時，超導體中會產(chǎn)生一個感應電流，以抵消磁場對超導態(tài)的破壞。這個感應電流會沿著超導體邊緣或表面流動，并形成一個屏蔽層，使得內(nèi)部區(qū)域保持零磁場。這個屏蔽層的厚度由倫敦滲透深度決定，通常在幾百納米左右。邁斯納屏蔽電流也會影響臨界超電流，因為它會與外加電流或渦旋電流相互作用，從而改變超導體的穩(wěn)定性。

檢驗

研究人員通過以下幾個方面來驗證這兩種機制的有效性：首先，他們測量了不同方向上的磁場對超導二極管效應的影響。他們發(fā)現(xiàn)，當磁場沿著電流方向時，超導二極管效應最強；當磁場垂直于電流方向時，超導二極管效應最弱；當磁場在兩者之間時，超導二極管效應呈現(xiàn)出一個余弦函數(shù)的依賴關系。這與渦旋邊界勢壘的預期一致，因為當磁場沿著電流方向時，渦旋更容易沿著邊界移動，而當磁場垂直于電流方向時，渦旋更難沿著邊界移動。來源: www.ws46.com

其次，研究人員測量了不同厚度的樣品對超導二極管效應的影響。他們發(fā)現(xiàn)，當樣品厚度小于倫敦滲透深度時，超導二極管效應隨著厚度的增加而增強；當樣品厚度大于倫敦滲透深度時，超導二極管效應隨著厚度的增加而減弱。這與邁斯納屏蔽電流的預期一致，因為當樣品厚度小于倫敦滲透深度時，邁斯納屏蔽電流可以穿透整個樣品，而當樣品厚度大于倫敦滲透深度時，邁斯納屏蔽電流只能存在于表面層。

最后，研究人員使用了一個理論模型來定量地擬合我們的實驗數(shù)據(jù)，并得到了很好的一致性。他們的模型考慮了渦旋邊界勢壘和邁斯納屏蔽電流對臨界超電流的貢獻，并使用了一個簡單的幾何因子來描述樣品的不對稱性。