范德華鐵磁約瑟夫森結(jié)中高效和極性可逆的零場(chǎng)超導(dǎo)二極管效應(yīng) | 進(jìn)展

超導(dǎo)電子學(xué)憑倚高能效與量子特性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而在量子處理器、超精密傳感器以及超越摩爾定律的計(jì)算架構(gòu)等領(lǐng)域具有變革性的應(yīng)用潛力。而超導(dǎo)二極管是這種架構(gòu)的核心組成部分，尤其是極性可調(diào)的超導(dǎo)二極管不僅能夠實(shí)現(xiàn)新型的可重構(gòu)邏輯門和存儲(chǔ)單元，還可以通過極性調(diào)制實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱元件的動(dòng)態(tài)編程，如隔離器和整流器等，其對(duì)高頻低損耗信號(hào)的處理至關(guān)重要。目前，盡管在超導(dǎo)二極管研究方面已取得了較多實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，但多數(shù)超導(dǎo)二極管均需施加外磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，并面臨效率較低、極性隨機(jī)等問題，從而限制了其在未來超導(dǎo)電路中的實(shí)際應(yīng)用。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心楊海濤研究員、蔣坤研究員、高鴻鈞院士等與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的周武教授團(tuán)隊(duì)合作，在構(gòu)筑的高質(zhì)量NbSe?/ Fe?GeTe?/NbSe?范德華鐵磁約瑟夫森結(jié)中觀察到高效、極性可逆的零場(chǎng)超導(dǎo)二極管效應(yīng)，并成功實(shí)現(xiàn)了異或門（XOR）的邏輯操作。

范德華鐵磁約瑟夫森結(jié)是由伊辛超導(dǎo)體NbSe?和巡游鐵磁體Fe?GeTe?層垂直堆疊而成，STEM結(jié)果顯示異質(zhì)結(jié)區(qū)具有潔凈且原子級(jí)平整的界面。在無外磁場(chǎng)作用下，不對(duì)稱的電流-電壓曲線證實(shí)了該異質(zhì)結(jié)具有零場(chǎng)二極管效應(yīng)，且該二極管效應(yīng)的大小和極性可以通過施加微弱的預(yù)磁化磁場(chǎng)改變鐵磁層的磁性狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。在半波整流測(cè)試中，該零場(chǎng)超導(dǎo)二極管表現(xiàn)出極性可逆且高度穩(wěn)定的整流行為。進(jìn)一步通過優(yōu)化Fe?GeTe?層的厚度，在器件中可實(shí)現(xiàn)高達(dá)34.1%的二極管效率，基于這種高效且極性可逆的二極管效應(yīng)成功實(shí)現(xiàn)了異或門（XOR）邏輯運(yùn)算。該工作不僅建立了混合鐵磁-超導(dǎo)體系中超導(dǎo)相位相干性與鐵磁態(tài)之間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)二維低耗散超導(dǎo)邏輯電路與超導(dǎo)自旋電子器件開辟了新途徑。

圖：范德華鐵磁約瑟夫森結(jié)中極性可逆的零場(chǎng)超導(dǎo)二極管效應(yīng)及其邏輯運(yùn)算功能的演示。（a）垂直NbSe?/ Fe?GeTe?/NbSe?約瑟夫森結(jié)的示意圖，該結(jié)在一個(gè)方向上呈現(xiàn)正常電子隧穿，而在反方向上呈現(xiàn)庫(kù)珀對(duì)隧穿。（b) 雙通道構(gòu)型異質(zhì)結(jié)器件的光學(xué)圖像與結(jié)區(qū)的STEM圖像。（c）相反極性的電壓-電流曲線。（d）極性可逆且穩(wěn)定的半波整流測(cè)試。（e）對(duì)器件施加脈沖磁場(chǎng)與脈沖電流下極性的確定性切換及對(duì)應(yīng)的整流行為。（f）在施加脈沖磁場(chǎng)和脈沖電流作為輸入信號(hào)下得到的XOR邏輯門運(yùn)算的真值表。

相關(guān)研究成果以“Polarity-reversible zero-field diode effect in van der Waals ferromagnetic Josephson junction for logic operation”為題，于2025年12月3日在線發(fā)表于Advanced Materials，博士后胡國(guó)靜與博士生韓燁超為共同第一作者，楊海濤研究員、蔣坤研究員、周武教授和高鴻鈞院士為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院、量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃和CAS基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目的資助以及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子顯微鏡中心的支持。

編輯：LogicMoriaty