日本京都大學(xué)化學(xué)研究所的小野輝男教授和安藤冬希博士生（當(dāng)時(shí)）等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，與該校理學(xué)研究科的柳瀨陽(yáng)一教授，以及大阪大學(xué)理學(xué)研究科的荒川智紀(jì)助教等人合作，首次在具有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)人工晶格中，觀(guān)測(cè)到了僅在一個(gè)方向上電阻為零的超導(dǎo)二極管效應(yīng)。二極管是一種能在正向順利導(dǎo)通電流，而反向幾乎無(wú)法導(dǎo)通電流的元件，整流器、混合器和光檢測(cè)器等很多電子部件都用到了半導(dǎo)體二極管。不過(guò)，由于半導(dǎo)體具有一定的電阻，而不是徹底的零電阻，所以無(wú)法避免各部件的能量損失問(wèn)題。因此，如何使電阻為零的超導(dǎo)體而非半導(dǎo)體具備二極管的特性、即如何實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管成了一個(gè)重要研究方向。
學(xué)此次研究發(fā)現(xiàn)，在由鈦（Nb）層、釩（V）層和鉭（Ta）層構(gòu)成的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)人工晶格中，臨界電流的大小取決于電流方向，并驗(yàn)證了超導(dǎo)二極管效應(yīng)。該成果有助于實(shí)現(xiàn)能量損失極小的電子電路。作為空間反演對(duì)稱(chēng)性破缺的超導(dǎo)體，此次研究利用濺射法形成了由Nb、V和Ta構(gòu)成的人工晶格。研究團(tuán)隊(duì)將該薄膜樣本加工成細(xì)線(xiàn)形狀，并像圖 1（a）那樣，以采用電流源和電壓計(jì)的實(shí)驗(yàn)配置測(cè)量了4個(gè)端子的電阻。在薄膜面內(nèi)與電流正交的方向施加外部磁場(chǎng)，調(diào)查了電阻對(duì)直流電流的依賴(lài)性，結(jié)果如圖1（b）所示。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，Nb/V/Ta人工晶格的臨界電流因施加電流的方向而異。另外，正向（實(shí)線(xiàn)）和反向（虛線(xiàn)）臨界電流的大小關(guān)系由外部磁場(chǎng)的符號(hào)決定。
a）采用Nb/V/Ta人工晶格的樣本的光學(xué)顯微鏡圖像與測(cè)量4端子電阻的實(shí)驗(yàn)配置。空間反演對(duì)稱(chēng)性破缺的是薄膜積層方向，與施加的電流及外部磁場(chǎng)分別正交。（b）在4.2K的溫度下測(cè)量的電阻的直流電流依賴(lài)性。在某個(gè)閾值電流（臨界電流）下，超導(dǎo)被破壞，產(chǎn)生有限的電阻，但正向（實(shí)線(xiàn)）和反向（虛線(xiàn)）的臨界電流不同。正向與反向的臨界電流的大小關(guān)系由外部磁場(chǎng)符號(hào)決定。接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)利用這種非相反的臨界電流證明，可以根據(jù)電流方向和磁場(chǎng)方向在超導(dǎo)與常導(dǎo)之間切換（圖 2）。這意味著，Nb/V/Ta人工晶格能作為超導(dǎo)二極管工作。可以在相對(duì)比較小的0.02T（特斯拉）磁場(chǎng)下切換二極管的方向。
根據(jù)電流方向和磁場(chǎng)方向在超導(dǎo)與常導(dǎo)之間切換的示例（4.2K）。從直流電阻的溫度依賴(lài)性可以看出，Nb/V/Ta的轉(zhuǎn)變溫度為4.4K，常導(dǎo)電阻為3.8Ω。研究證明，可以通過(guò)在外部磁場(chǎng)為0.02T、電流值為6.6mA的情況下分別反轉(zhuǎn)符號(hào)，在超導(dǎo)狀態(tài)與常導(dǎo)狀態(tài)之間切換。
