中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（SHMFF）是国家“十一五”重大科技基础设施，由中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学共建，各项任务依托强磁场科学中心开展。装置于2017年通过国家验收，验收专家组一致认为，SHMFF“磁体技术和综合性能达到国际领先水平... 更多简介 +
近日，稳态强磁场实验装置（SHMFF）用户中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心郑国林研究员、田明亮研究员团队与郝宁研究员团队合作，依托SHMFF所属水冷磁体WM5，在二维超导体NbSe2中通过局域质子调控技术成功构筑了超导同质结器件，实现了时间反演对称条件下的超导二极管效应。相关研究成果以“General Framework Enabling Polarity-Tunable Time-Reversal Symmetric Superconducting Diode Effects in Gate-Defined Homojunctions”为题发表于美国物理学会期刊Physical Review X。
对称破缺超导体系中的超导二极管效应是当前凝聚态物理的前沿研究热点，在推动超导量子电子学器件的实际应用方面展现出巨大潜力。然而，传统的超导二极管效应通常需要打破时间反演对称性（例如通过外加磁场或引入磁性层），这不利于器件的集成化发展。因此，如何在保持时间反演对称性的前提下实现超导二极管效应，已成为该领域面临的一项核心挑战。
针对上述挑战，研究团队利用已发展的固体质子调控技术，精准调控了多层NbSe2中的载流子浓度及类型，显著增强了NbSe2面内上临界磁场。在此基础上，通过局域调控，研究团队成功构筑了n-n、p-n和p-p三种类型的超导同质结。在零磁场条件下，这些同质结均表现出明显的超导二极管效应，其中n-n结的二极管极性与p-n结及p-p结相反。尤为重要的是，团队发现非对称临界电流ΔIc在磁场下呈现偶对称，表明时间反演对称性并未被破缺。进一步的理论与实验分析揭示，该效应主要由超导同质结界面处电场驱动的质子浓度梯度变化引起：当正向电流接近临界电流Ic+时，结区质子在电场作用下向右扩散，从而加速超导-金属转变；反之，当反向电流接近临界电流Ic-时，结区质子受反向电场驱动向左扩散，从而延缓超导-金属转变，最终导致超导二极管效应的出现。该研究为实现时间反演对称条件下的超导二极管提供了一种普适的理论框架和实验方案。
中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心博士后张红伟为论文第一作者，博士生王春生、汪然为论文共同第一作者，强磁场科学中心郑国林研究员、郝宁研究员以及田明亮研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院低功耗量子材料建制化科研平台以及安徽省重点实验室的资助。
文章链接： https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/wm2k-vlvc
图1. 一种时间反演对称超导二极管的普适性实验方案。 (a) 器件图，(b) 时间反演对称超导二极管的原理示意图， (c) 质子门电压调控NbSe2显著增强其面内上临界磁场，(d)ΔIc随磁场呈现偶对称关系，(e) 面内磁场下的超导二极管效应。
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