第一作者：Heng Wu, Yaojia Wang

通讯作者：Heng Wu, Mazhar N. Ali

通讯作者单位：马普所微结构物理所

约瑟夫二极管（Josephson diode）是与半导体二极管类似的通过超导材料构建的二极管，理论物理学家通过多种方式寻找超导约瑟夫二极管。约瑟夫二极管由于约瑟夫耦合效应导致具有无磁场单向超导性，因此可能用于构建新一代超导线圈。

有鉴于此，马普所微结构物理所Mazhar N. Ali、Heng Wu等报道发现通过反转对称性破缺结构vdW异质结NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂体系，构建了约瑟夫二极管。

图1.无偏置场NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂约瑟夫结超导效应

在没有外加磁场时，这种异质结材料在正向电流时表现超导，在反应电流时具有电阻。正向/逆向临界电流差（ΔI_c）具有磁场对称性，由于呈现弗琅荷费图案（Fraunhofer pattern）说明具有约瑟夫耦合。

通过较低的转换电流密度能够实现稳定的高整流比高强度方波激励稳定半波整流。这种不平衡行为与人们认知的约瑟夫关系不同，为通过约瑟夫结量子材料发展新型机理和新现象提供机会，为发展新型超导器件提供机会。

图2.无偏置场和20 mK条件NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂约瑟夫结的半波整流测试、稳定性测试

图3.磁场改变导致I_c、ΔI_c变化

总结

研究了反式对称性破缺的vdW异质结NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂出现的约瑟夫二极管现象，在没有外加磁场时观测发现vdW异质结出现约瑟夫二极管效应，实现了高整流比、超低的开关电流密度、优异的稳定性。通过研究ΔI_c与磁场的关系，发现对称变化规律，而不是以往报道的不对称变化现象，进一步说明其不受到磁场影响的特点。

这种不受到磁场影响的约瑟夫二极管通过超电流形式穿越不对称隧道的隧道屏障，通过反对称二次谐波峰验证了结点处的反演对称破缺。此外，这种效应可能在其他材料体系和结构中同样存在（特别是其他vdW材料），为发展超导电子学和超导器件提供广阔前景。

这项研究工作通常展示了对称性破缺、隧道势垒材料、超导电极之间如何相互作用对于发现新型异常约瑟夫效应。

参考文献：

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