可调谐拓扑纳米SQUID中的超导二极管效应及其在拓扑超导研究中的意义

为解决约瑟夫森二极管效应（Josephson diode effect）在可调谐性和效率方面的挑战，研究人员基于拓扑绝缘体（TI）纳米线侧接触结构，开展了纳米超导量子干涉器件（nano-SQUID）中可调谐超导二极管效应的研究。结果表明，该器件在平行磁场B∥和背栅电压VG调控下可实现高达30%的二极管效率η，且其符号可调。这一发现不仅为低耗散量子电子学提供了新型器件平台，还标志着拓扑超导态的出现，对马约拉纳零模研究具有重要意义。

　　

在量子计算和低耗散电子学领域，超导二极管效应正成为前沿研究热点。传统的约瑟夫森二极管存在可调谐性有限、效率不高等问题，特别是在单结器件中实现高效可控的非互易超导传输仍面临挑战。与此同时，拓扑绝缘体（Topological Insulator, TI）纳米线因其独特的表面态和强自旋-动量锁定特性，被认为是实现拓扑超导和马约拉纳费米子的理想平台。

近日发表在《Science Advances》的一项研究突破性地报道了基于拓扑绝缘体纳米线的可调谐超导二极管效应。研究人员通过精巧的器件设计，将BiSbTeSe₂拓扑绝缘体纳米线与铌（Nb）超导电极侧向接触，构建出具有内在纳米超导量子干涉器件（nano-SQUID）特性的约瑟夫森结。该器件在平行磁场和背栅电压的双重调控下，表现出高达30%的二极管效率，且其极性可逆，这为超导电子学器件应用和拓扑超导研究开辟了新途径。

研究团队采用分子束外延生长的高质量BiSbTeSe₂单晶样品，通过机械剥离和干法刻蚀工艺制备出厚度10-20 nm、宽度60-80 nm的纳米线结构。利用电子束光刻和溅射工艺制作Nb电极形成侧向接触结，结合伪四端法测量技术，在30 mK极低温下测量了微分电阻dV/dI随偏置电流I_b和磁场的变化。通过三维紧束缚模型模拟，研究人员重现了实验观察到的超导二极管效应，并验证了其纳米SQUID机制。

约瑟夫森二极管效应在侧接触TI纳米线结中的表现

研究人员首先观察到显著的临界电流I_c随平行磁场B_∥的振荡行为，振荡周期对应磁通量子Φ₀=h/2e。在B_∥=-2.5 T和V_G=20 V条件下，正向和反向临界电流分别为I_c⁺=250 nA和|I_c^-|=390 nA，二极管效率η=(I_c⁺-|I_c^-|)/(I_c⁺+|I_c^-|)≈-0.23。这种非互易性在I_c极小值附近（如B_∥≈2 T）尤为明显，且二极管效应的符号随磁场变化而发生反转。

门电压对约瑟夫森二极管效应的调谐能力

研究发现，通过背栅电压V_G可有效调控二极管效应的符号和幅度。在|B_{∥c⁺-|Ic^-|随VG和B∥的变化呈现规律性振荡，幅度超过200 nA。特别值得注意的是，在B∥=-1.8 T和-2.5 T时，随着VG从负向正变化，η经历了符号反转，且|η|最高达到0.3，这一数值在单结约瑟夫森二极管中属于较高水平。}

整流效应的可视化验证

通过时间分辨测量，研究人员直接演示了器件的整流功能。在B_∥=1.6 T时，器件对～3 μA的交流信号产生负向电压整流；而在B_∥=4.3 T时，由于η符号反转，整流方向也随之逆转。这一实验直观地证明了通过磁场调控可实现二极管极性的灵活切换。

理论分析与模拟

研究团队提出纳米SQUID模型来解释实验现象：TI纳米线的顶面和底面分别形成两个超导-正常-超导（SNS）结，平行磁场产生磁通Φ穿透纳米线回路，导致两个结之间的超导相位差。理论计算表明，二极管效应需要满足三个条件：磁场打破时间反演对称性、顶底结不对称性（由栅压控制）以及有限skewness的电流-相位关系。三维模拟结果与实验数据高度吻合，确认了纳米SQUID机制的主导作用。

研究结论指出，这种可调谐超导二极管效应不仅为超导电路元件提供了新设计思路，更重要的是，其符号反转与拓扑相变密切相关。当磁通为半整数量子Φ=(n+1/2)Φ₀时，系统经历拓扑相变，其中一个SNS结进入拓扑相，预计会出现马约拉纳零模。栅压控制的顶底结不对称性切换与二极管效应符号反转的同步性，进一步证实了拓扑超导态的存在。

这项研究的重要意义在于：首先，实现了高达30%的可调谐超导二极管效应，为量子计算和超导神经网络提供了高性能器件方案；其次，通过相对简单的器件结构实现了对拓扑超导态的有效调控，为马约拉ana费米子研究提供了新平台；最后，提出的纳米SQUID机制为理解拓扑绝缘体基超导器件的工作机理提供了新视角。未来研究方向包括探索电流偏置对拓扑相变的影响以及将此类器件集成到大规模量子电路中。