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第一作者：Heng Wu, Yaojia Wang

通訊作者：Heng Wu, Mazhar N. Ali

通訊作者單位：馬普所微結構物理所

約瑟夫二極管（Josephson diode）是與半導體二極管類似的通過超導材料構建的二極管，理論物理學家通過多種方式尋找超導約瑟夫二極管。約瑟夫二極管由于約瑟夫耦合效應導致具有無磁場單向超導性，因此可能用于構建新一代超導線圈。

有鑒于此，馬普所微結構物理所Mazhar N. Ali、Heng Wu等報道發現通過反轉對稱性破缺結構vdW異質結NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂體系，構建了約瑟夫二極管。

圖1.無偏置場NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂約瑟夫結超導效應

在沒有外加磁場時，這種異質結材料在正向電流時表現超導，在反應電流時具有電阻。正向/逆向臨界電流差（ΔI_c）具有磁場對稱性，由于呈現弗瑯荷費圖案（Fraunhofer pattern）說明具有約瑟夫耦合。

通過較低的轉換電流密度能夠實現穩定的高整流比高強度方波激勵穩定半波整流。這種不平衡行為與人們認知的約瑟夫關系不同，為通過約瑟夫結量子材料發展新型機理和新現象提供機會，為發展新型超導器件提供機會。

圖2.無偏置場和20 mK條件NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂約瑟夫結的半波整流測試、穩定性測試

圖3.磁場改變導致I_c、ΔI_c變化

總結

研究了反式對稱性破缺的vdW異質結NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂出現的約瑟夫二極管現象，在沒有外加磁場時觀測發現vdW異質結出現約瑟夫二極管效應，實現了高整流比、超低的開關電流密度、優異的穩定性。通過研究ΔI_c與磁場的關系，發現對稱變化規律，而不是以往報道的不對稱變化現象，進一步說明其不受到磁場影響的特點。

這種不受到磁場影響的約瑟夫二極管通過超電流形式穿越不對稱隧道的隧道屏障，通過反對稱二次諧波峰驗證了結點處的反演對稱破缺。此外，這種效應可能在其他材料體系和結構中同樣存在（特別是其他vdW材料），為發展超導電子學和超導器件提供廣闊前景。

這項研究工作通常展示了對稱性破缺、隧道勢壘材料、超導電極之間如何相互作用對于發現新型異常約瑟夫效應。

參考文獻：

Wu, H., Wang, Y., Xu, Y. et al. The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure. Nature 604, 653–656 (2022)

DOI: 10.1038/s41586-022-04504-8

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04504-8