科學研究 - 京大等發現僅一個方向零電阻的超導二極體效應

日本京都大學化學研究所的小野輝男教授和安藤冬希博士生（當時）等人組成的研究團隊，與該校理學研究科的柳瀨陽一教授，以及大阪大學理學研究科的荒川智紀助教等人合作，首次在具有非對稱結構的超導人工晶格中，觀測到了僅在一個方向上電阻爲零的超導二極體效應。

二極體是一種能在正向順利導電的電流，而反向幾乎無法導電的電流的元件，整流器、混合器和光偵檢計等很多電子部件都用到了半導體二極體。不過，由於半導體具有一定的電阻，而不是徹底的零電阻，所以無法避免各部件的能量損失問題。因此，如何使電阻爲零的超導體而非半導體具備二極體的特性、即如何實施超導二極體成了一個重要研究方向。

此次研究發現，在由鈮（Nb）層、釩（V）層和鉭（Ta）層構成的非對稱結構超導人工晶格中，臨界電流的大小取決於電流方向，並驗證了超導二極體效應。該成果有助於實施能量損失極小的電子電路。

作爲空間反演對稱破缺的超導體，此次研究利用濺射法形成了由Nb、V和Ta構成的人工晶格。研究團隊將該薄膜樣本加工成細線形狀，並像圖 1（a）那樣，以採用電流源和電壓計的實驗配置測量了4個端子的電阻。在薄膜面内與電流正交的方向施加外部磁場，調查了電阻對直流的依賴性，結果如圖1（b）所示。調查發現，Nb/V/Ta人工晶格的臨界電流因施加電流的方向而異。另外，正向（實線）和反向（虛線）臨界電流的大小關係由外部磁場的符號決定。

圖1：（a）採用Nb/V/Ta人工晶格的樣本的光學顯微鏡影像與測量4端子電阻的實驗配置。空間反演對稱破缺的是薄膜積層方向，與施加的電流及外部磁場分別正交。（b）在4.2K的溫度下測量的電阻的直流依賴性。在某個閾值電流（臨界電流）下，超導被破壞，產生有限的電阻，但正向（實線）和反向（虛線）的臨界電流不同。正向與反向的臨界電流的大小關係由外部磁場符號決定。

接下來，研究團隊利用這種非相反的臨界電流證明，可以根據電流方向和磁場方向在超導與常導之間切換（圖 2）。這意味着，Nb/V/Ta人工晶格能作爲超導二極體工作。可以在相對比較小的0.02T（特士拉）磁場下切換二極體的方向。