作為現代電子工業的基石，半導體電子器件的基元是實現半導體二極管效應的P-N結。半導體P-N結的特性之一是單向導電性。在正向偏置時，P-N結處于導通狀態，允許電流通過；在反向偏置時，P-N結處于截止狀態，電流無法通過。半導體電子器件利用這樣的特性實現邏輯運算。與半導體材料類似，具有宏觀量子現象的超導體在量子電子學占有重要地位，如超導量子干涉儀等。那么，能否在超導電流中實現二極管效應？由于超導電流的零電阻特性，答案似乎是否定的。

　　2007年，類比半導體P-N結，中國科學院物理研究所研究員胡江平與香港科技大學教授戴希等，在理論上提出利用電子、空穴摻雜超導體構造的約瑟夫森結來實現超導二極管效應，也稱約瑟夫森二極管。然而，實驗上實現超導二極管極具挑戰。2020年，日本京都大學Teruo Ono研究組在Nb/V/Ta超晶格超導體中通過外加磁場實現超導二極管現象；2022年，荷蘭代爾夫特理工大學Mazhar Ali研究組在NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂約瑟夫森結實現無外場的約瑟夫森二極管效應。這些實驗結果引起關注，成為超導電子學的熱點。具體而言，如圖1a所示，超導二極管效應的基本特征：當電流向右傳導時表現出無耗散的超導電流；當電流向左傳導時表現出耗散的普通電流。約瑟夫森二極管效應也表現出同樣的非倒易傳導，如圖1b所示。超導二極管的電流-電壓特征曲線如圖1c所示，系統存在一個正向臨界電流I_c+。當正向電流I<I_c+，系統表現出典型的零電阻現象；當電流I>I_c+時，系統表現出V≠0耗散的正常電阻。同樣，在反向電流中，存在另外一個臨界電流-I_c-。I_c+≠I_c-是二極管的特性現象。如果施加一個幅度I₀電流方波（Ic-<I₀<I_c+），系統則表現出向右超導，向左電阻的二極管效應。對于約瑟夫森結而言，除了I_c二極管效應外，由于存在勢壘層和在掃描過程中的電荷積累，約瑟夫森結還存在一個回歸電流I_r。I_r+≠I_r-是約瑟夫森結的另一個二極管特征。

　　近日，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心T06組研究員胡江平、特聘研究員蔣坤帶領的團隊，進一步拓展約瑟夫森二極管及超導二極管效應的理論研究，對超導二極管和約瑟夫森二極管現象進行對稱性分析和分類。第一類在空間反演對稱性破缺下發生。需要依賴電壓的歷史和電荷積累的I_r+≠I_r-現象是空間反演對稱性破缺的典型要求，例如，約瑟夫森結結構的不對稱、Rashba自旋軌道耦合效應等。第二類需要破壞時間反演對稱性。由于I_c+≠I_c-現象發生在電壓等于0的情況，系統需要在電流等于0時破壞時間反演對稱性，如內稟磁性或者外加磁場。因此，約瑟夫森結二極管可分成時間反演破缺型和空間反演破缺型。對于這兩類二極管，科研人員提出多種實現方案并進行理論計算。該理論工作對NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂約瑟夫森二極管給出了理論解釋。

　　相關研究成果發表在Physical Review X上。胡江平、蔣坤在Nature Physics上撰寫了題為Superconducting diode effects的News and Views。研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項及中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊的支持。

　　a、本征超導體中的二極管效應，其中無耗散的超導電流可以向右傳導，有耗散的正常電流向左傳導。b、有2塊超導體和勢壘層（Barrier）構造的約瑟夫森結中的二極管效應。c、超導二極管電流-電壓特征曲線示意圖。系統存在兩個臨界電流I_c+、-I_c-。I_c+≠I_c-表現出二極管效應。對于約瑟夫森結，還存在兩個I_r+≠I_r-的二極管效應。