科学家通过量子霍尔效应测量技术实现超导二极管突破

科学家通过量子霍尔效应测量技术实现超导二极管突破

近日，九州大学研究团队在超导体领域取得重要突破。他们通过先进的量子霍尔效应测量仪器和低温电阻测量技术，成功制备出一种新型超导二极管，展示了超导电流的完美无耗散特性。这一发现不仅丰富了对量子霍尔效应的理解，更为低功耗电子器件的发展开辟了新的技术路径。

研究背景

近年来，非线性电子响应在固体物理领域备受关注，其在二极管和晶体管等电子元件中发挥着至关重要的作用。与传统线性材料相比，非线性材料展现出更优异的电流-电压（I-V）特性，如方向传输和非相互易性，这与材料缺乏反演对称性密切相关。然而，这些材料也面临着电阻引发的焦耳加热等问题，限制了其实际应用。

研究进展

九州大学Hiroki Isobe和Naoto Nagaosa课题组在超导体领域的研究中取得了重要进展。他们设计并制备了一种新型超导二极管，展示了超导电流的完美无耗散特性，并在临界电流Ic以下未出现电压降。这种装置的非线性响应揭示了超导二极管效应和约瑟夫森二极管效应所蕴含的非相互易现象。

研究团队采用了最新的量子霍尔效应理论，探索了边缘通道中电流的几何或拓扑特性，显著提高了超导器件的性能。通过对电荷分布的精确控制，团队成功获取了量子霍尔电导的定量特性，并在此基础上实现了非线性电流响应。这一成果为拓扑电子态及其在低功耗电子器件中的应用提供了新的技术路径。

实验方法与发现

研究团队通过多种表征手段，包括低温电子显微镜和精密的电流-电压（I-V）特性测量，深入分析了量子霍尔电流现象。他们揭示了非线性能量色散对霍尔响应的影响，并获得了量子霍尔系统中边缘通道的非线性I-VH特性的实验结果。

结合电阻率测量和时间分辨技术，研究者发现，在特定条件下，边缘通道中的电子-电子相互作用导致了霍尔电导的非线性变化。通过对比不同样品的测量结果，研究者深入研究了非线性响应与材料几何特性之间的关系，为未来材料设计提供了指导。

研究意义

这项研究揭示了凝聚态物理中非线性输运现象的深刻内涵，特别是几何或拓扑电流在量子霍尔效应中的重要性。研究者发现，边缘传输的非线性霍尔电压特性源自于反向传播边缘通道间的电子-电子相互作用。这一发现不仅丰富了对量子霍尔电流的理解，还为探索其他非线性输运现象提供了新的视角。

此外，研究还为未来的实验研究指明了方向，鼓励科学家在拓扑材料和低维系统中寻找新的非线性响应特性。随着技术的发展，观察和调控这些非线性效应将可能为电子器件的设计带来创新，从而推动电子学、量子计算和信息存储等领域的进步。

图文速递

图 1. 非线性量子霍尔效应的示意图。

图 2. 偏压下边缘通道的能量色散。

图 3. 具有变化能量色散曲率的不均匀系统。

研究结论

这项研究不仅为基础物理提供了理论依据，也为材料科学与应用研究开启了新的研究路径，具有重要的科学启迪意义。研究结果为理解非线性电子输运现象以及开发下一代电子器件提供了新的思路和方向。

原文详情： Hiroki Isobe, Naoto Nagaosa ,Nonlinear edge transport in a quantum Hall system.Sci. Adv.10,eado2704(2024).DOI:10.1126/sciadv.ado2704