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为探索超导、拓扑与磁学的相互作用，研究人员构建 MnBi?Te?近邻约瑟夫森结，观测到反常大周期的 Fraunhofer 图案及厚度依赖的不对称边缘超电流，实现可编程极性的非易失性约瑟夫森二极管，为拓扑超导和器件应用提供新平台。
论文解读
在凝聚态物理领域，超导、拓扑与磁学的交叉研究一直是探索新奇量子现象的前沿。传统约瑟夫森结中，超导序参量受磁性屏障调制常表现出 0 或 π 基态，而拓扑材料的引入虽能催生表面 / 边缘超电流及 4π 周期效应，但如何在反铁磁拓扑绝缘体中实现可控的超电流调控仍是挑战。MnBi?Te?作为近年发现的 A - 型反铁磁拓扑绝缘体，其层状结构中锰原子在层内铁磁有序、层间反铁磁耦合，兼具量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等高阶量子现象，却尚未有其实用约瑟夫森结的报道。在此背景下，研究人员聚焦于 MnBi?Te?基约瑟夫森结的超电流行为，试图揭开拓扑与磁学协同作用下的新物理机制。
为攻克这一科学问题，研究团队通过机械 exfoliation 制备不同厚度的 MnBi?Te?薄片，并利用电子束光刻和磁控溅射技术构建 Nb/MnBi?Te?/Nb 近邻约瑟夫森结器件。实验发现，在 110 nm 厚的器件中观测到周期约 28.4 mT 的大周期 Fraunhofer 图案，其有效结长仅 7.3 nm，远小于电极间距，表明厚层器件中体超电流占主导，且超导序通过邻近效应渗透至 MnBi?Te?通道。而当厚度减至 55 nm 时，出现显著不对称的超导量子干涉器件（SQUID）图案，正负偏置下的临界电流差异及磁阻振荡揭示了边缘超电流的主导地位。通过傅里叶变换分析，确认超电流集中于两侧边缘，且边缘通道宽度约 0.7-1.3 μm，证实了拓扑边缘态的不对称性。
理论建模表明，这种不对称性源于 MnBi?Te?两侧边缘的有效费米速度差异。器件边缘的几何缺陷（如一侧尖锐、一侧弯曲）导致边缘态散射特性不同，通过引入不对称跳跃项的晶格模型，结合递归格林函数法，成功模拟出与实验一致的 SQUID 图案相位偏移。进一步利用这种不对称边缘超电流，研究团队在 70 nm 厚器件中实现了非易失性约瑟夫森二极管效应，通过面外磁场 “训练” 可切换二极管极性，零场整流效率高达 23%，且效应可持续至 3.9 K。
研究结果不仅首次在反铁磁拓扑绝缘体中实现了约瑟夫森结的器件化，更揭示了厚度依赖的超电流输运机制：厚层器件表现为体主导的单缝 Fraunhofer 振荡，而薄层则转向边缘态主导的不对称干涉。这种从体到边缘的转变与 MnBi?Te?的拓扑表面态特性直接相关 —— 厚层时顶部表面态因反铁磁序形成能隙，而薄层中无隙的侧表面态成为超电流载体。理论与实验的结合证实，边缘超电流的不对称性源于反演对称性破缺，为手性马约拉纳边缘模（chiral Majorana edge modes）的观测提供了潜在路径。
该工作的意义在于，一方面为拓扑超导的研究提供了新平台，马约拉纳费米子作为量子计算的理想载体，其在 MnBi?Te?/superconductor 异质结中的预测有望通过类似结构验证；另一方面，可编程约瑟夫森二极管的实现为低功耗量子器件设计开辟了新方向，其非易失性和磁场调控特性为集成量子电路提供了关键组件。此外，研究中揭示的边缘态与磁性的相互作用机制，对理解拓扑材料中的自旋 - 轨道耦合效应及量子输运调控具有普适性价值。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》，为凝聚态物理与量子器件领域的交叉研究树立了新标杆。
关键技术方法
- 器件制备：机械剥离法制备 MnBi?Te?薄片，电子束光刻结合磁控溅射技术构建 Nb 电极约瑟夫森结，控制空气暴露时间＜10 分钟以避免环境影响。
- 低温输运测量：利用稀释制冷机（基温 50 mK）和 He-3 插入件（基温 250 mK），通过四端法测量磁输运特性，锁相放大器采集差分电阻数据。
- 理论模拟：基于 k?p 模型构建 MnBi?Te?晶格哈密顿量，引入不对称跳跃项描述边缘态差异，采用递归格林函数法计算约瑟夫森电流，结合傅里叶变换分析超电流空间分布。
研究结果
大周期 Fraunhofer 振荡
通过 110 nm 厚 MnBi?Te?约瑟夫森结的磁阻测量，观察到周期 ΔB≈28.4 mT 的单缝 Fraunhofer 图案，对应有效结长 L_EFF≈7.3 nm。器件在 T_C=1.6 K 完全超导，临界电流随温度升高降低，表明厚层中体超电流主导，且超导序通过邻近效应渗透至 MnBi?Te?，导致有效结长小于实际电极间距。
不对称边缘超电流
在 55 nm 厚器件中，正负偏置的临界电流及磁阻振荡呈现显著不对称性，SQUID 图案显示磁通量偏移。傅里叶变换揭示超电流集中于两侧边缘，高斯拟合得边缘通道宽度 0.76-1.31 μm。边缘几何差异（如缺陷）导致费米速度 v_F1≠v_F2，理论模拟通过引入不对称项 H'_Asymm 完美复现实验现象，证实边缘态主导超电流输运。
非易失性约瑟夫森二极管
70 nm 厚器件中，利用面外磁场训练实现极性可编程的约瑟夫森二极管效应。零场下整流效率 η=23%，临界电流差 ΔI_C 随磁场振荡，且具有磁滞特性。通过预磁化处理，器件在零场下可维持二极管状态，电流仅单向导通，为拓扑量子计算提供了新型功能器件原型。
结论与讨论
本研究在 MnBi?Te?基约瑟夫森结中首次观测到厚度依赖的体 - 边缘超电流转变，揭示了反铁磁拓扑绝缘体中拓扑边缘态与超导的强耦合机制。大周期 Fraunhofer 图案与不对称 SQUID 效应分别对应体和边缘输运通道，理论证实其源于边缘态的对称性破缺。非易失性约瑟夫森二极管的成功制备，不仅验证了拓扑超电流的可控性，更展现了该体系在量子器件中的应用潜力。研究为探索手性马约拉纳边缘模、实现拓扑超导及开发低功耗量子功能器件奠定了实验与理论基础，标志着反铁磁拓扑材料在量子技术领域的重大突破。
