三層石墨烯是超導(dǎo)二極管效應(yīng)的有前途的平臺(tái)。圖片來源：Mathias Scheurer

超導(dǎo)體是無損電流流動(dòng)的關(guān)鍵。然而，超導(dǎo)二極管的實(shí)現(xiàn)直到最近才成為基礎(chǔ)研究的重要課題。由因斯布魯克大學(xué)的理論物理學(xué)家Mathias Scheurer參與的國際研究小組現(xiàn)在已經(jīng)成功地達(dá)到了一個(gè)里程碑：在沒有外部磁場的情況下實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)二極管效應(yīng)，從而證明了超導(dǎo)性和磁性共存的假設(shè)。他們在《自然物理學(xué)》雜志上對此進(jìn)行了報(bào)道。

人們談到超導(dǎo)二極管效應(yīng)時(shí)，當(dāng)材料在電流流動(dòng)的一個(gè)方向上表現(xiàn)得像超導(dǎo)體，而在另一個(gè)方向上表現(xiàn)得像電阻器時(shí)。與傳統(tǒng)的二極管相比，這種超導(dǎo)二極管表現(xiàn)出完全消失的電阻，因此在正向方向上沒有損耗。這可能構(gòu)成未來無損量子電子學(xué)的基礎(chǔ)。物理學(xué)家大約在兩年前首次成功地創(chuàng)造了二極管效應(yīng)，但有一些基本的局限性。“當(dāng)時(shí)，這種效應(yīng)非常微弱，它是由外部磁場產(chǎn)生的，這在潛在的技術(shù)應(yīng)用中非常不利，”因斯布魯克大學(xué)理論物理研究所的Mathias Scheurer解釋說。

布朗大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)，在本期《自然物理學(xué)》中有所描述，不需要外部磁場。除了上述與應(yīng)用相關(guān)的優(yōu)勢外，這些實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了Mathias Scheurer先前提出的一個(gè)論點(diǎn)：即超導(dǎo)性和磁性共存于一個(gè)由三個(gè)相互扭曲的石墨烯層組成的系統(tǒng)中。因此，系統(tǒng)實(shí)際上產(chǎn)生自己的內(nèi)部磁場，從而產(chǎn)生二極管效應(yīng)。

“布朗大學(xué)的同事觀察到的二極管效應(yīng)也非常強(qiáng)烈。此外，二極管方向可以通過簡單的電場反轉(zhuǎn)?？傊@使得三層石墨烯成為超導(dǎo)二極管效應(yīng)的有前途的平臺(tái)，“Mathias Scheurer澄清道，他的研究重點(diǎn)是二維材料，特別是石墨烯。

有前途的材料石墨烯

《自然物理學(xué)》中描述的二極管效應(yīng)也是用石墨烯產(chǎn)生的，石墨烯是一種由以蜂窩圖案排列的單層碳原子組成的材料。堆疊多層石墨烯會(huì)帶來全新的性能，包括三層石墨烯層相互扭曲以傳導(dǎo)電流而不會(huì)造成損失的能力。

超導(dǎo)二極管效應(yīng)存在于該系統(tǒng)中沒有外部磁場的事實(shí)，對于研究扭曲的三層石墨烯的復(fù)雜物理行為具有重大意義，因?yàn)樗C明了超導(dǎo)性和磁性的共存。這表明二極管效應(yīng)不僅具有技術(shù)相關(guān)性，而且還有可能提高我們對多體物理學(xué)中基本過程的理解。

更多信息：Jiang-Xiazi Lin等，小扭曲角三層石墨烯中的零場超導(dǎo)二極管效應(yīng)，Nature Physics（2022）.DOI： 10.1038/s41567-022-01700-1

期刊信息：自然物理學(xué)