時間反転対称超伝導ダイオード効果の一般理論枠組みを提案 (A General Framework Proposed for Time-reversal Symmetric Superconducting Diode Effect)

2026-06-12 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院・中国強磁場科学センターの鄭国林教授らの研究チームは、時間反転対称性を維持したまま超伝導ダイオード効果を実現する新たな手法を提案し、その成果を発表した。研究では層状超伝導体NbSe₂に対し、固体プロトンゲーティング技術を用いてキャリア濃度やキャリア種別を制御し、n–n、p–n、p–pの3種類の超伝導ホモ接合を作製した。これらの接合はいずれも外部磁場を加えない条件下で明確なダイオード特性を示し、超電流が一方向に流れやすくなることが確認された。また、n–n接合ではp–nおよびp–p接合とは逆向きの極性が観測された。さらに、磁場を変化させても電流の非対称性が変化しなかったことから、従来の超伝導ダイオードのように時間反転対称性を破る必要がないことが実証された。研究チームは、接合部でのプロトン移動が超伝導状態と抵抗状態の遷移に影響を与えることが、この効果の起源であると考察している。本研究は、磁性材料や外部磁場に依存しない超伝導ダイオード実現の一般的な設計指針を示し、集積化しやすい超伝導デバイス開発への道を開く成果と位置付けられる。

時間反転対称超伝導ダイオード効果の一般理論枠組みを提案 (A General Framework Proposed for Time-reversal Symmetric Superconducting Diode Effect)
A general framework for time-reversal symmetric superconducting diode effect (Image by ZHENG Guolin)

<関連情報>

ゲート定義型ホモ接合における極性調整可能な時間反転対称超伝導ダイオード効果を実現する一般的なフレームワーク General Framework Enabling Polarity-Tunable Time-Reversal Symmetric Superconducting Diode Effects in Gate-Defined Homojunctions

Hongwei Zhang, Chunsheng Wang, Ran Wang, Senyang Pan, Hengning Wang, Jiaqiang Cai, Yonglai Liu, Zhe Qu, Xiangde Zhu et al.
Physical Review X  Published: 29 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/wm2k-vlvc

Abstract

Symmetry breaking underlies various nonreciprocal transport phenomena. A well-known example is the semiconductor pn junction diode, a cornerstone of modern electronics. Its superconducting counterpart—the superconducting diode effect (SDE)—has recently attracted intense interest due to its potential in ultra-low-power superconducting circuits. While most SDEs reported so far involve either explicit or spontaneous breaking of time-reversal symmetry (TRS), a comprehensive theoretical framework remains elusive. Moreover, a general mechanism enabling TRS-preserving SDEs with minimal dependence on material or device architecture has yet to be established. Here, we report polarity-tunable SDEs without breaking TRS, realized in superconducting nn, pn, and pp homojunctions defined via local protonic gates in multilayer NbSe2. The local gates induce partial proton intercalation, generating a built-in proton concentration gradient across the transition zone between the gated and ungated regions—closely resembling the depletion layer in conventional semiconductor diodes. We find that the observed SDE arises from electric-field-driven variation of the proton concentration gradient in the transition region, which asymmetrically modulates the critical current: suppressing it in one direction and enhancing it in the other. This local-gate-driven, TRS-preserving mechanism offers a general and scalable strategy for realizing nonreciprocal superconducting transport. Our findings establish a material-agnostic platform for SDEs, broadly applicable across two-dimensional (2D) superconductors.

0403電子応用
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