【產(chǎn)通社，3月12日訊】北京大學(xué)（Peking University）官網(wǎng)消息，物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所廖志敏教授課題組與深圳國(guó)際量子研究院俞大鵬院士團(tuán)隊(duì)合作，首次在約瑟夫森二極管中發(fā)現(xiàn)量子化射頻整流效應(yīng)，為量子器件工具箱增添了重要新成員。2026年1月30日，該項(xiàng)研究成果以《籠目超導(dǎo)體約瑟夫森二極管中的量子射頻整流》（Quantized radio-frequency rectification in a kagome superconductor Josephson diode）為題，在線發(fā)表于《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）雜志上。

約瑟夫森結(jié)是研究宏觀量子效應(yīng)與量子相干行為的關(guān)鍵物理平臺(tái)。2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予John Clarke、Michel Devoret和John Martinis三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诩s瑟夫森結(jié)宏觀量子隧穿效應(yīng)與能級(jí)量子化機(jī)制方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，充分體現(xiàn)了該體系在基礎(chǔ)物理與量子技術(shù)發(fā)展中的重要地位。在約瑟夫森效應(yīng)被提出60余年后，人們發(fā)現(xiàn)了約瑟夫森二極管效應(yīng)：其特征是在正、反向偏置下呈現(xiàn)不同的臨界電流（Ic+≠Ic-），從而在一定電流窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電流的單向傳輸。

目前研究主要聚焦約瑟夫森二極管的直流特性，其交流約瑟夫森效應(yīng)，尤其在射頻驅(qū)動(dòng)下是否存在類似Shapiro臺(tái)階的量子化行為，仍有待揭示。實(shí)驗(yàn)上，實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)下的約瑟夫森二極管極具挑戰(zhàn)性，需要同時(shí)滿足高質(zhì)量的超導(dǎo)異質(zhì)界面、空間反演對(duì)稱性破缺以及時(shí)間反演對(duì)稱性破缺等條件，這在實(shí)際材料體系中難以兼顧。如何突破材料體系與器件結(jié)構(gòu)的限制，揭示射頻條件下約瑟夫森二極管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，是重要的前沿課題。

針對(duì)上述瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用籠目超導(dǎo)體CsV3Sb5構(gòu)筑約瑟夫森二極管，并探究其在射頻條件下的量子整流效應(yīng)。早期研究顯示，CsV3Sb5內(nèi)部存在多種相互交織的電子態(tài)（包括電荷密度波、超導(dǎo)態(tài)和電子向列相等），伴隨著自發(fā)的對(duì)稱性破缺，同時(shí)存在超導(dǎo)疇結(jié)構(gòu)，可自發(fā)形成高界面穿透度的約瑟夫森結(jié)。這些特點(diǎn)有助于深入探究零磁場(chǎng)約瑟夫森二極管中的交流約瑟夫森效應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)將機(jī)械剝離獲得的CsV3Sb5納米片與金電極接觸制備器件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CsV3Sb5內(nèi)部自發(fā)形成了約瑟夫森結(jié)，并在零磁場(chǎng)下表現(xiàn)出非互易的超導(dǎo)電流輸運(yùn)，即約瑟夫森二極管效應(yīng)。在無(wú)直流偏置的條件下，僅通過(guò)微波輻照即可產(chǎn)生量子化的直流電壓Vdc，其數(shù)值為hf/2e的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)了量子化的射頻整流。這種只需給約瑟夫森二極管照射微波，就能在沒有外加直流電流的情況下產(chǎn)生量子化的直流電壓的現(xiàn)象可由成熟的約瑟夫森理論清晰解釋。其本質(zhì)在于器件對(duì)正、反向電流的響應(yīng)不對(duì)稱，使相位粒子在交流驅(qū)動(dòng)下沿“傾斜的搓衣板勢(shì)”產(chǎn)生單向累積滑移，從而將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為量子化的直流輸出。

該工作不僅揭示了CsV3Sb5的本征約瑟夫森二極管效應(yīng)，也為其作為低溫?zé)o線電源和自供電電壓標(biāo)準(zhǔn)提供了潛在平臺(tái)。這種射頻調(diào)制的本征約瑟夫森二極管有望在非耗散超導(dǎo)電路、低溫量子器件的無(wú)線充電、高精度測(cè)量、以及電壓標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官方網(wǎng)站http://news.pku.edu.cn/jxky。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）