Field-free dual superconducting diode via photon-assisted interference

在电子世界中，二极管是一个谦逊但至关重要的守门人。它是一种允许电流易于向一个方向流动，同时阻挡电流向另一个方向流动的组件，就像是电子的单行道。这种简单的功能是现代计算的基础，使得设备能够将交流电转换为直流电并处理数字信号。然而，我们今天使用的二极管是由半导体制造的，而半导体在冷却到量子计算机和敏感科学仪器所需的极端温度时，表现效率会变得很差。在这些接近绝对零度的极低温水平下，传统的半导体二极管会失去效能，为下一代超高速、低功耗技术制造了瓶颈。科学家们长期以来一直寻求一种能够在这些深冻条件下完美工作的二极管，理想的情况是，它能处理两种不同类型的电流：成对电子的稳定、无摩擦运动，以及单个电子的更混乱、耗能的运动。

一组研究人员现在展示了一种使用标准超导隧道结的解决方案，这是一种由两层铝通过一层薄绝缘层分隔而成的微型器件。他们没有依赖复杂的材料堆叠或外部磁场来强制二极管工作，而是使用了一个涉及微波的高明技巧。通过让隧道结沐浴在特定的微波辐射模式中，他们能够打破器件的自然对称性，有效地将其转变为一个双功能二极管。这种新器件可以作为电子对的无摩擦流动和单个电子的耗散流动的完美守门人，且这一切都在单个几何对称的组件内实现。研究人员发现，通过简单地调节微波信号的时序，他们就可以在两种模式之间切换该器件，甚至可以反转其允许电流流动的方向。

实验是在稀释制冷机内进行的，这种机器能够将样品冷却到低至 80 毫开尔文的温度，这仅比绝对零度高出极微小的部分。设置的核心是一个由铝、氧化铝和铝组成的小型结，面积约为 16 平方微米。在自然状态下，没有任何外部影响，这个结表现出对称性，允许电流在两个方向上同样顺畅地通过。为了改变这一点，研究人员施加了一个双谐波驱动，即由两个频率协同工作的微波信号。他们发送了一个 1.405 吉赫兹的基础频率和一个正好是其两倍的二倍频，即 2.810 吉赫兹。实验的关键不仅在于这些波的存在，还在于它们的相对相位，即两个波的波峰和波谷在时间上如何相互对齐。

当研究人员调整这种相位关系时，他们观察到了电流通过隧道结方式的剧烈转变。在某些设置下，该器件充当超电流二极管。在这种模式下，它允许一股电子对流在单方向上无电阻流动，同时阻挡相同的无摩擦流向相反方向。这是超导电路中的一个关键特征，因为保持零电阻状态对于效率至关重要。在其他设置下，该器件则转换角色，成为准粒子二极管。在这里，它管理单个电子的流动，允许它们在一个方向上自由通过，同时抑制它们在另一个方向上的运动。研究人员测量了这种整流效率，发现它优于传统的半导体二极管，尤其是在这些低温度下。该器件能够如此有效地抑制反向电流，以至于接近一种理想状态，即没有任何电流向后流动。

这项发现最引人注目的方面之一是，只需改变微波信号的相位即可控制二极管作用的方向。通过将波的时序从一个设置移动到其相反的设置，研究人员可以瞬间翻转二极管的极性。原本允许向前流动的电流突然被阻断，而反向则变成了阻力最小的路径。这种动态可重构性意味着该器件不是一个静态组件，而是一个可以随时进行调整的可调工具。团队还展示了该系统可以整流低频交流信号，将其转换为直流电。在一种特定的配置中，他们创造了所谓的“绝对二极管”。这种状态结合了两者的优点：它在电流向前流动时提供零电阻，而在尝试向后流动时提供近乎无限的电阻，从而消除了开关状态下的能量损失。

这种行为背后的机制依赖于隧道结中的电子与来自微波驱动的光子（即光的粒子）之间的相互作用。当隧道结受到单频微波照射时，相互作用保持对称，器件在电流方向改变时表现一致。然而，两个频率的结合产生了一个复杂的干涉模式，打破了这种对称性。这种干涉允许器件有选择性地辅助电子在一个方向上的运动，同时阻碍它们在另一个方向上的运动。研究人员通过将实验数据与理论模型进行对比证实了他们的发现，结果显示两者具有显著的一致性。他们还在不同的磁场条件下测试了该器件，发现即使没有外部磁场，该效应依然存在，这对于磁干扰可能成为问题的实际应用场景而言是一个显著优势。

这项工作为构建运行在量子技术所需极端寒冷环境下的电子电路开辟了新途径。由于该器件基于标准的铝结和常规的微波控制线，因此它与目前用于量子计算机的现有制造技术是兼容的。能够创建一种无需外部磁铁即可工作并能处理两种电子传输类型的二极管，预示着一个更高效、更通用的低温电子技术的未来。研究人员已经证明，通过仔细塑造电磁环境，可以在最基本的层面工程化电流的流动，将一个简单的隧道结转变为下一代计算领域中精密且可重构的组件。