多铁性约瑟夫森结中场强鲁棒超流二极管效应的实现与机理研究

《Nature Communications》：Field-resilient supercurrent diode in a multiferroic Josephson junction

本研究针对超流二极管在实际应用中难以在零场和杂散场环境下稳定工作的瓶颈问题，通过在约瑟夫森结中引入二维多铁性材料NiI2，成功实现了在±10 mT双向磁场范围内保持稳定整流效率的场强鲁棒超流二极管效应。理论模拟揭示了Rashba自旋轨道耦合与螺旋磁序的相互作用是产生该特殊场强耐受性的物理本质，为超导电子学器件提供了新的解决方案。

　　

在超导电子学领域，超流二极管作为实现零电阻超电流整流的核心元件，其性能直接决定了超导电路在低温环境下的工作效率。然而传统超流二极管存在一个致命缺陷：它们通常需要外部磁场来初始化整流方向，这使得器件在实际电路环境中极易受到杂散磁场（最高达10 mT）的干扰而失效。工业级磁存储器（如Everspin公司产品）要求器件至少能耐受±10 mT的磁场波动，而现有超流二极管技术远未达到这一标准。这一瓶颈严重制约了超导器件在量子计算、低温存储器等前沿领域的应用。

为解决这一难题，加州大学洛杉矶分校Kang L. Wang团队创新性地将二维多铁性材料NiI₂作为势垒层引入范德瓦尔斯约瑟夫森结中。NiI₂独特的螺旋磁序与铁电序共存特性，使其同时打破了空间反演对称性和时间反演对称性——这正是产生超流二极管效应（SDE）的两个基本对称性要求。更关键的是，多铁性材料中磁序与电序的强耦合作用可增强磁矫顽力，为器件赋予优异的场强耐受性。

研究人员采用机械剥离法制备了4层NiI₂纳米片，与两片NbSe₂超导电极构建成三明治结构的垂直结。在零磁场条件下，该器件表现出显著的超流二极管效应，整流效率η达-8%，且通过正负双向磁场训练后整流方向保持稳定，证明其具备内在的场强鲁棒特性。磁场依赖性的测试结果更令人惊喜：在±24 mT的宽磁场范围内，整流效率始终维持负值，呈现出以对称性为主导的独特场依赖行为。这与传统约瑟夫森结中常见的反对称Fraunhofer干涉模式形成鲜明对比。

为阐明物理机制，研究团队建立了多铁性约瑟夫森结的理论模型。模拟结果表明，单纯的螺旋磁序虽能打破时间反演对称性，但需与Rashba自旋轨道耦合（RSOC）协同作用才能产生非互易超流。当沿电流方向施加Zeeman场时，整流效率呈现偶函数特征的对称场依赖，这与实验观测到的场强鲁棒性高度吻合。此外，理论预测还揭示了SDE的非单调温度依赖性：在2.5 K时出现峰值效率，随后在4 K附近发生符号反转，该现象源于交换相互作用使结区接近0-π转变，导致不同Andreev束缚态对超流的竞争性贡献。

关键技术方法包括：采用化学气相传输法生长NiI₂和NbSe₂单晶，通过干法转移技术组装范德瓦尔斯异质结；利用物理性质测量系统（PPMS）进行电输运测量，通过微分法提取临界电流；构建Bogoliubov-de Gennes紧束缚模型模拟电流-相位关系，采用有效偶极近似描述铁电极化效应。

零场SDE在多铁性vdW JJ中的验证

通过对比石墨势垒参考器件，证实NiI₂结在零场下的8%整流效率本征来源于多铁性序。正负1 T磁场训练后整流方向不变，验证了其对杂散场的耐受性。

NiI₂JJ中SDE的场强韧性

在±24 mT磁场范围内保持单向整流，临界电流差值ΔI_c呈现对称场依赖。定义双极品质因子F_R=ΔI_R×ΔH_bpR达10³mT·μA量级，比现有技术高两个数量级。

SDE的非单调温度依赖性

整流效率在2.5 K出现峰值，4 K发生符号反转。理论表明该现象与交换相互作用导致的0-π转变临界性相关，高温下高阶谐波分量更快被抑制。

这项研究首次实现了符合工业场强耐受标准的超流二极管，突破了超导器件走向实际应用的重大技术障碍。多铁性约瑟夫森结展现的零场效应、双向场强鲁棒性与电控可调性，为发展非易失性超导存储器提供了新范式。该工作不仅开辟了多铁性超导器件这一新研究方向，更通过理论建模揭示了对称性调控与能带工程在新型量子器件设计中的核心作用。