三层石墨烯是超导二极管效应的有前途的平台。图片来源：Mathias Scheurer
超导体是无损电流流动的关键。然而，超导二极管的实现直到最近才成为基础研究的重要课题。由因斯布鲁克大学的理论物理学家Mathias Scheurer参与的国际研究小组现在已经成功地达到了一个里程碑：在没有外部磁场的情况下实现了超导二极管效应，从而证明了超导性和磁性共存的假设。他们在《自然物理学》杂志上对此进行了报道。
人们谈到超导二极管效应时，当材料在电流流动的一个方向上表现得像超导体，而在另一个方向上表现得像电阻器时。与传统的二极管相比，这种超导二极管表现出完全消失的电阻，因此在正向方向上没有损耗。这可能构成未来无损量子电子学的基础。物理学家大约在两年前首次成功地创造了二极管效应，但有一些基本的局限性。“当时，这种效应非常微弱，它是由外部磁场产生的，这在潜在的技术应用中非常不利，”因斯布鲁克大学理论物理研究所的Mathias Scheurer解释说。
布朗大学的实验物理学家进行的新实验，在本期《自然物理学》中有所描述，不需要外部磁场。除了上述与应用相关的优势外，这些实验还证实了Mathias Scheurer先前提出的一个论点：即超导性和磁性共存于一个由三个相互扭曲的石墨烯层组成的系统中。因此，系统实际上产生自己的内部磁场，从而产生二极管效应。
“布朗大学的同事观察到的二极管效应也非常强烈。此外，二极管方向可以通过简单的电场反转。总之，这使得三层石墨烯成为超导二极管效应的有前途的平台，“Mathias Scheurer澄清道，他的研究重点是二维材料，特别是石墨烯。
有前途的材料石墨烯
《自然物理学》中描述的二极管效应也是用石墨烯产生的，石墨烯是一种由以蜂窝图案排列的单层碳原子组成的材料。堆叠多层石墨烯会带来全新的性能，包括三层石墨烯层相互扭曲以传导电流而不会造成损失的能力。
超导二极管效应存在于该系统中没有外部磁场的事实，对于研究扭曲的三层石墨烯的复杂物理行为具有重大意义，因为它证明了超导性和磁性的共存。这表明二极管效应不仅具有技术相关性，而且还有可能提高我们对多体物理学中基本过程的理解。
更多信息：Jiang-Xiazi Lin等，小扭曲角三层石墨烯中的零场超导二极管效应，Nature Physics（2022）.DOI： 10.1038/s41567-022-01700-1
期刊信息：自然物理学
