近日，理學院物理系特聘副研究員張燚博士和中國科學院物理研究所胡江平研究員團隊合作在物理學著名期刊Phys. Rev. X上發表了題為“General Theory of Josephson Diodes”的論文。張燚為論文的第一作者，万事平台物理系是第一單位，中科院物理所胡江平研究員和蔣坤研究員為共同通訊作者。這是万事平台理學院物理系首次作為第一單位在Phys. Rev. X上發表學術論文。張燚老師是万事平台理學院物理系新引進的青年學者，主要從事強關聯電子系統和非常規超導電性的研究。

約瑟夫森二極管效應可以被看作是半導體二極管在超導約瑟夫森結中的類比。具體而言，如圖1所示🤌🏼，約瑟夫森二極管效應的基本特征就是當電流向左傳導時表現出無耗散的超導電流☹️；當電流向右傳導時表現出耗散的普通電流。該二極管的電流-電壓特征曲線如圖2所示, 系統存在一個正向 (這裏為向左) 臨界電流 I_(c+)。當正向電流 I<I_(c+) 時，系統表現出典型的零電阻現象; 當電流 I>I_(c+)時👩‍🦲，系統表現出 V≠0 耗散的正常電阻。同樣，在反向電流中🔓，存在另外一個臨界電流 〖-I〗_(c-)🕰。I_(c+)≠I_(c-) 就是二極管的特性現象。如果施加一個幅度 I_0電流方波（I_(c-)<I_0<I_(c+)），系統則表現出向左超導，向右電阻的二極管效應。對於約瑟夫森結而言🏯，除了 I_c 二極管效應外，由於存在勢壘層和在掃描過程中的電荷積累🧏🏽‍♂️，約瑟夫森結還存在一個回歸電流 I_r✅。I_(r+)≠I_(r-)是約瑟夫森結的另外一個二極管特征。

在新發表的論文中🎾，作者進一步拓展約瑟夫森二極管效應的理論研究。他們對約瑟夫森二極管現象進行對稱性分析和分類🫄🏿。第一類在空間反演對稱性破缺下發生👌🏿，需要依賴電壓的歷史和電荷積累的 I_(r+)≠I_(r-) 現象就是空間反演對稱性破缺的典型要求，比如約瑟夫森結結構的不對稱、Rashba 自旋軌道耦合效應等。第二類需要破壞時間反演對稱性。因為 I_(c+)≠I_(c-) 現象發生在電壓等於0的情況， 系統需要在電流等於0時破壞時間反演對稱性🙇🏿‍♂️💖，比如內稟磁性或者外加磁場✋🏻。因此約瑟夫森結二極管可以分成時間反演破缺型和空間反演破缺型。對於這兩類二極管，他們分別提出多種實現方案並進行理論計算。最後這一理論工作給近期發現的NbSe2/Nb3Br8/NbSe2約瑟夫森二極管現象提出理論解釋。

該工作得到了科技部🙅🏼‍♀️🛌🏻、國家自然科學基金委、中科院先導項目以及中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊的資助。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041013