物理学院廖志敏团队与合作者发现约瑟夫森二极管中量子整流效应
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近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所廖志敏教授课题组与深圳国际量子研究院俞大鹏院士团队合作，首次在约瑟夫森二极管中发现量子化射频整流效应，为量子器件工具箱增添了重要新成员。2026年1月30日，该项研究成果以《笼目超导体约瑟夫森二极管中的量子射频整流》（“Quantized radio-frequency rectification in a kagome superconductor Josephson diode”）为题，在线发表于《自然·纳米科技》（Nature Nanotechnology）杂志上。
约瑟夫森结是研究宏观量子效应与量子相干行为的关键物理平台。2025年诺贝尔物理学奖授予John Clarke、Michel Devoret和John Martinis三位科学家，以表彰他们在约瑟夫森结宏观量子隧穿效应与能级量子化机制方面的开创性贡献，充分体现了该体系在基础物理与量子技术发展中的重要地位。在约瑟夫森效应被提出60余年后，人们发现了约瑟夫森二极管效应：其特征是在正、反向偏置下呈现不同的临界电流（Ic+≠Ic-），从而在一定电流窗口内实现超导电流的单向传输。
目前研究主要聚焦约瑟夫森二极管的直流特性，其交流约瑟夫森效应，尤其在射频驱动下是否存在类似Shapiro台阶的量子化行为，仍有待揭示。实验上，实现零磁场下的约瑟夫森二极管极具挑战性，需要同时满足高质量的超导异质界面、空间反演对称性破缺以及时间反演对称性破缺等条件，这在实际材料体系中难以兼顾。如何突破材料体系与器件结构的限制，揭示射频条件下约瑟夫森二极管的动态响应行为，是重要的前沿课题。
针对上述瓶颈，研究团队创新性地利用笼目超导体CsV3Sb5构筑约瑟夫森二极管，并探究其在射频条件下的量子整流效应。早期研究显示，CsV3Sb5内部存在多种相互交织的电子态（包括电荷密度波、超导态和电子向列相等），伴随着自发的对称性破缺，同时存在超导畴结构，可自发形成高界面穿透度的约瑟夫森结。这些特点有助于深入探究零磁场约瑟夫森二极管中的交流约瑟夫森效应。
研究团队将机械剥离获得的CsV3Sb5纳米片与金电极接触制备器件。实验发现CsV3Sb5内部自发形成了约瑟夫森结，并在零磁场下表现出非互易的超导电流输运，即约瑟夫森二极管效应。在无直流偏置的条件下，仅通过微波辐照即可产生量子化的直流电压Vdc，其数值为hf/2e的整数倍，实现了量子化的射频整流。这种只需给约瑟夫森二极管照射微波，就能在没有外加直流电流的情况下产生量子化的直流电压的现象可由成熟的约瑟夫森理论清晰解释。其本质在于器件对正、反向电流的响应不对称，使相位粒子在交流驱动下沿“倾斜的搓衣板势”产生单向累积滑移，从而将交流信号转化为量子化的直流输出。
该工作不仅揭示了CsV3Sb5的本征约瑟夫森二极管效应，也为其作为低温无线电源和自供电电压标准提供了潜在平台。这种射频调制的本征约瑟夫森二极管有望在非耗散超导电路、低温量子器件的无线充电、高精度测量、以及电压标准等领域发挥重要作用。
（a）基于CsV3Sb5约瑟夫森二极管的无线整流器；（b）零磁场、零直流偏置下的量子化整流效应
北京大学2022级博士生娄晗歆、深圳国际量子研究院副研究员陈静静与助理研究员叶兴国是文章的共同第一作者。廖志敏、王安琦以及谭振兵是文章的共同通讯作者。俞大鹏对该研究工作给予了重要支持。合作者还包括中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员、荷兰屯特大学李川教授以及北京大学电子显微镜实验室马秀梅高级工程师。该工作得到了国家自然科学基金、“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项等项目的资助，并获得了北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室及电子显微镜实验室的大力支持。
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