南京大学王永磊教授/王华兵教授,浙江大学陈庆虎教授等 Nano Letters:用于电气可编程超导电路的纳米级电热开关超导二极管
- 2026-04-16 22:58:57
双机制非互易输运：单个器件内存在两种超导二极管效应——非互易超导-正常态转变（SN‑SDE）和涡旋运动引起的二极管效应（V‑SDE），两者均源于同一电热热点机制。
高效率：SN‑SDE效率最高达42%，V‑SDE效率达60%，优于多数现有栅压调控超导二极管。
电学可编程：通过选择激活上/下栅极，可原位切换二极管极性；关闭栅极电流则可完全关闭二极管效应。
电路级应用：利用四个电热开关二极管构建全波桥式整流器，通过编程实现全波/半波整流及极性反转，频率可扩展至GHz。
微观机制验证：结合TDGL模拟，揭示热点降低涡旋进入势垒、调制洛伦兹力方向，导致正反向临界电流显著差异。
器件制备：在Si衬底上沉积10 nm厚NbN薄膜，通过电子束光刻和反应离子刻蚀定义主通道（宽500 nm）和两侧对称的栅极引线（宽约40 nm）。四端配置允许独立控制上下热点位置。
电学测量：在2 K、外加磁场（约300 Gs）下进行。栅极电流略高于栅极引线的回滞电流（约9.1 μA），以产生稳定热点但不完全淬灭主通道超导。测量正向/反向I‑V曲线，提取去配对临界电流和脱钉临界电流，计算二极管效率。
TDGL模拟：采用含时金兹堡-朗道方程，模拟热点存在时涡旋的进入/排出动力学，重现实验观察到的双阶段非互易行为，并提取序参量空间分布和温度分布。
整流电路演示：将四个二极管按桥式连接，施加100 Hz正弦交流电流，测量不同栅极配置下的输出波形，验证全波/半波整流及极性编程功能。
图 1 电热开关型超导二极管
参考文献：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00080.
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