半导体-超导体复合量子器件因可用于容错拓扑量子计算而备受关注。近年来这类系统在材料、器件和测控技术等方面的发展使其成为一个可用于研究超导量子物态、多体关联物理、超导电子学器件的高质量、可调控的实验平台。近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）半导体量子计算团队与北京大学、中国科学院半导体所、中国科学院物理所等合作，研究了基于这类系统的约瑟夫森结在微波辐照下的超导二极管效应，发现通过增大微波辐照功率可使该约瑟夫森结具有单向超导电性，即零电压Shapiro平台仅存在于正负电流方向中的一个方向上，使约瑟夫森结超导二极管的整流效率达到100%。2024年8月21日，相关成果以“Microwave-Assisted Unidirectional Superconductivity in Al-InAs Nanowire-Al Junctions under Magnetic Fields”为题发表在《Physical Review Letters》上。

微波诱导单向超导电性——当外加偏置电流方向反转，超导系统的临界电流可能出现关于电流方向不对称的行为，这被称为超导二极管效应。该效应在构建低功耗逻辑器件以及探测奇异量子态方面具有重要应用，近年来备受关注。先前关于超导二极管效应的研究主要集中在静态条件，且完全单向超导电性的行为较为罕见。研究人员采用InAs纳米线和原位外延生长铝薄膜组成的复合结构制作了约瑟夫森结，利用微波辐照改变超导临界电流的不对称行为，实现了对超导二极管效应的调控。发现在有限磁场下，器件没有微波辐照时表现出十分微弱的超导二极管效应（图1b 绿线和红线）。但随着微波辐照的开启及其功率的增加，V-I曲线零电压Shapiro台阶的中心位置逐渐偏离偏置电流零点，最终形成一个有趣的单向超导状态，即零电压台阶仅出现在正负偏置电流中的一个方向上，而电阻态则出现在零偏置电流附近（图1d 红线）。磁场角度依赖关系的测量进一步表明该现象是内禀于系统的。

与先前理论对比——另一个有趣的地方是实验中观察到的零电压Shapiro台阶中心位置随微波辐照功率增加而移动的方向与先前理论研究中常用的RSJ（resistively shunted junction）模型的计算结果不符。根据RSJ模型的模拟计算，零电压台阶中心位置随着微波功率的增加应当逐渐趋近电流偏置零点，而实验观察到的则是逐渐远离零点（图2）。这说明实验中观测到的效应与先前常用的理论预言存在微观机理上的区别。理解这种区别需要进一步通过提出新的微观机理进行建模计算和相应的实验测量研究。

这项工作将推动超导二极管器件的高频动力学研究，也为研究约瑟夫森系统中的对称性破缺提供了一种灵敏的探测方案。未来，高质量可调控半导体-超导体复合量子器件在周期场驱动下的内禀物理问题也值得做进一步探索。

该成果第一作者为北京大学博士生、量子院实习生苏海天。共同通讯作者为中国科学院半导体所研究员潘东，量子院副研究员张泼，北京大学讲席教授、量子院首席科学家徐洪起。合作者还包括北京大学博士生、量子院实习生高涵和罗毅，量子院副研究员王积银、助理研究员颜世莉和吴幸军，中国科学院物理所博士生李国安、特聘研究员沈洁和研究员吕力，中国科学院半导体所研究员赵建华。该工作得到国家自然科学基金委和中国科学院青年创新促进会支持。器件加工得到北京大学校级微纳加工实验室、量子院微纳加工平台、北京怀柔综合极端条件实验装置微纳加工实验室的支持。