日本理化学研究所突发物质科学中心量子功能系统研究组松尾贞茂研究员、樽茶清悟国际联合研究组发现，当两个约瑟夫森结相干耦合时，会发生"超导二极管效应"，即仅在电流的一个方向上产生电压。这项研究的结果预计将有助于约瑟夫森结相干耦合基础物理的发展和非耗散整流器件的实现。
约瑟夫森结是一种绝缘体或导体夹在两个超导体之间的装置，在磁传感器和超导量子计算机中发挥着重要作用。到目前为止，已经通过控制超导体之间的材料特性来探索使用单个约瑟夫森结的超导功能。 超导二极管效应就是其中之一，并且已通过使用铁磁体和强磁场的单个约瑟夫森结实现。
此次，该国际联合研究小组研究了两个约瑟夫森结通过半导体相干耦合的器件的电子传输特性。结果，通过简单地控制一个结，成功地在另一个结中产生了超导二极管效应。这一结果很重要，因为它表明两个元件的耦合可以实现单结在没有铁磁体或强磁场的环境中无法表现出的功能。
这项研究发表在科学期刊《自然·物理学》网络版上（日本时间7月31日、8月1日）。
将绝缘体或导体夹在两个超导体之间的装置称为"约瑟夫森结"，超导电流在电极之间流动。 约瑟夫森结在高灵敏度磁传感器和量子计算机技术中发挥着重要作用，近年来得到了长足的发展。
最近，有人提出了一种理论，即可以制备两个约瑟夫森结并将它们相干地组合起来。 相干组合的元素表现出单个元素不具备的属性。例如，如果准备两个氢原子并将它们连贯地结合在一起，就会形成氢分子。氢原子和氢分子具有完全不同的性质，这意味着相格键可以揭示单一状态所不具有的性质。 因此，即使在约瑟夫森结中，相干耦合也有望产生单结无法具有或难以实现的特性。
此前，松尾研究员等人发布了在相邻约瑟夫森结处形成相干结的实验证据。然而，目前尚不清楚是否可以通过引入相干耦合来开发超导器件的新特性。另一方面，"超导二极管效应"的研究近年来也在积极进展。 超导二极管效应是一种当电流沿一个方向流动时产生有限电压，而当相同大小的电流沿相反方向流动时电压为零的现象。 尽管超导二极管效应已在各种系统中被发现，但主要是在使用铁磁体和强磁场的环境中进行研究。
国际联合研究小组在普渡大学 Michael Manfra 教授的团队制造的半导体（砷化铟）基板上制造了具有两个约瑟夫森结（JJ1 和 JJ2）共享一个超导电极的电子器件。
图 从上方观察基板上制作的元件的示意图。蓝色部分为超导体铝，灰色部分显示约瑟夫森结。
该装置的结构特点是将JJ2嵌入超导体的环路中。 流过约瑟夫森结的超电流的大小根据两个超导电极之间的相位差而变化。由于该相位差是由穿透超导环路的磁场决定的，因此超导环路中的结点JJ2的相位差可以通过磁场的大小来控制。因此，研究员在控制磁场的同时，在10 mK（约-273°C）的低温下测量了环路外JJ1中的电子传输，即环路内JJ2的相位差。
根据测量结果，当电流从0（临界电流）开始扫描时，JJ1的电压变为有限时的电流值被评估为正负电流方向的绝对值。首先，观察到JJ1的临界电流的绝对值相对于磁场周期性振荡，这意味着JJ1和JJ2是相干耦合的。
此外，系统地出现了正负临界电流绝对值不同的磁场区域。正负临界电流的绝对值不同意味着超导二极管效应得以显现，并且发现通过控制JJ2.I的相位差可以显现超导二极管效应。特别是，在临界电流的绝对值变小的磁场区域附近，超导二极管效应强烈地表现出来。 此外，还观察到通过扫描磁场，临界电流的绝对值的大小关系被系统地反转。
另一方面，当在没有JJ2的情况下测量单个约瑟夫森结时，研究人员确认了临界电流的正负绝对值相等，并且在相同的磁场中临界电流值几乎恒定地区。由此可以得出结论，超导二极管效应首次通过相干耦合表现出来。
图 得到的实验结果和数值计算结果
为了证实这些特征是由JJ1和JJ2的相干耦合引起的，研究人员进行了数值计算，对于相干组合的 JJ1 和 JJ2，当改变JJ2的相位差时，得到JJ1的临界电流。
结果证实，即使在通过数值计算获得的临界电流下也出现超导二极管效应。另外，实验得到的"超导二极管效应在临界电流较小的区域表现得强烈"， 发现"临界电流绝对值的大小关系响应相位差的变化而系统反转"这两个特征可以在数值计算结果中再现。
在这项研究中，研究人员成功地通过相干耦合在约瑟夫森结上添加了超导二极管的功能。这一结果表明，相干结合的通用物理机制在约瑟夫森结中也很有用，可用于开发新功能。这意味着相干耦合不仅对于超导二极管效应有用，而且对于新型超导现象和超导器件功能的发展也很有用，未来有望得到进一步的发展。
此外，超导二极管效应有望作为整流元件应用在未来的超导电路中。使用铁磁体或强磁场的传统方法被认为难以控制局部元件，但可以控制整流元件。从这个意义上说，相信这将有助于超导电路技术的未来发展。
English 
Chinese