科学家给超导体装上了"红绿灯"：电子畅通无阻，但不能调头

图1：普通二极管把单向通行的直觉带入电路；超导二极管追问零电阻电流能否也有方向偏好。

01

电路里的“单向闸机”

早高峰的地铁站里，闸机是一种很有存在感的装置。刷卡、进站、放行；方向错了，它就不客气地把你拦住。

二极管在电路里干的事情，也有点像闸机：它偏爱一个方向。电流从“正”的方向来，就比较容易通过；从“反”的方向来，就会受到阻拦。靠着这种单向通行，二极管成了现代电子设备里最基础的零件之一。

比如家里的插座提供的是交流电，电流方向会周期性改变；而手机电池需要的是方向稳定的直流电。充电器里就需要借助二极管等元件，把“来回摇摆”的电流整理成更适合电池吸收的电流。

可是，如果电流本来就几乎不受阻呢？

在超导体里，电流不再像普通金属中那样一路碰撞、一路发热。降到足够低的温度后，电子可以两两配对，形成库珀对。大量库珀对进入同一个宏观量子状态，像一支步调一致的队伍。只要电流没有超过某个临界值，它就能近乎无损耗地流动。

于是问题变得有点古怪：如果已经没有电阻了，还能不能做一个“只偏爱一个方向”的二极管？

答案是可以。这就是近年来迅速升温的超导二极管，或者更宽泛地说，超流二极管效应[1]。

02

它“卡”住的不是普通电阻

普通二极管说的是电流通过时的难易程度不同。超导二极管说的则更微妙：电流沿一个方向流动时，能承受的最大无耗散电流比较大；沿相反方向流动时，这个上限比较小。

这个上限就是临界电流。它有点像一座桥的承载能力。桥面可以非常光滑，车开过去不费劲，但如果车流超过承载上限，桥还是会出问题。超导体也是如此：在临界电流以下，它可以保持零电阻；超过临界电流，超导态就会被破坏。

所以，超导二极管不是让一边高电阻、另一边低电阻。两个方向都可以出现无耗散电流，只是临界值不同。用符号写，就是

这里的 和 分别表示正向和反向的临界超导电流。实验上常用一个无量纲的二极管效率来描述这种不对称：

它把“正向能承受多少”和“反向能承受多少”的差别，归一化成一个方便比较的数字。 越接近零，说明正反方向越像；| |越大，说明二极管效应越强。

图2：超导二极管的典型 I-V 示意曲线，正向临界电流大于反向临界电流。

03

把老式 p-n 结，翻译成量子语言

如果二极管有一张最经典的“老照片”，那大概就是p-n 结。

在普通半导体里，p 型一侧更像是空穴的地盘，n 型一侧更像是电子的地盘。两边一接触，中间会形成一片耗尽区，像一道内建的关卡。正向偏压时，关卡变矮，电流容易通过；反向偏压时，关卡变高，电流被挡在外面。电子学里最朴素的单向门，就是这样从材料内部长出来的。

2007 年，物理所的胡江平研究员与吴从军、戴希两位合作者，把这张老照片放进了一个完全不同的场景里[2]。他们问：如果 p 型和 n 型不再是普通半导体，而是两个掺杂方向相反的超导体呢？如果这两个超导体还靠近莫特绝缘体转变，电子之间的相互作用强到不能再把它们当作自由流动的小球呢？

于是，熟悉的 p-n 结突然换了一套演员。电子和空穴还在，正向和反向还在，但中间那道耗尽区不再只是普通半导体里的电荷分离区，而可能变成由强关联电子自组织出来的一段莫特绝缘区域。电流也不再只是普通电子被电压推着走，而是两个超导体之间的约瑟夫森超流：库珀对隔着一段弱连接，靠量子相干“穿”过去。

这一步有一点夸张地说，像是把半导体教科书里最熟悉的一页，重新翻译成了强关联超导的语言。原来的问题是“普通电流能不能被整流”；新的问题变成了“无耗散的量子电流，能不能也认方向”。胡江平研究员等人提出的约瑟夫森二极管的设计，正是这种强关联版本的超导单向门：它把 p-n 结、莫特物理和约瑟夫森效应这三件原本分属不同章节的东西，放进同一幅物理图景里。

一个好灵感如果足够有生命力，后来往往会发展出一套更一般的语言。2022 年，物理所的胡江平研究员、蒋坤研究员及其合作者们进一步从一般理论角度讨论约瑟夫森二极管，把它从一个具体构想推进到更系统的设计框架[3]。他们指出，关键不只是“把结做得不对称”，而是在隧穿势垒内部形成不对称的近邻过程。换成不那么技术的说法，就是两侧超导体通过势垒彼此“感受到对方”的方式，必须对正向和反向电流有所区别。

这套理论还把约瑟夫森二极管按对称性破缺的来源分成不同类型：有的主要来自空间反演破缺，有的主要来自时间反演破缺。这样一来，早期 p-n 结式的灵感就不再只是一幅漂亮草图，而被扩展成一套更普适的设计语言：怎样利用势垒、界面、磁性、极化或非常规配对，把正向和反向的超流真正区分开来。

图3：从普通 p-n 结到约瑟夫森二极管，单向整流的概念被翻译成相位相干超流的方向分辨。

要理解这套设计语言为什么成立，就必须回到一个更基本的问题：哪些对称性会把正向和反向重新绑在一起？

要让超导电流“偏心”，需要打破哪些对称性？

物理里说“正向”和“反向”不同，不能只靠直觉。一个体系也许外观看起来很复杂，但只要它还保留某些对称性，物理定律就会自动把两个方向重新匹配：正向能发生的事，反向也要以相应方式发生。超导二极管真正需要的，正是打破这种匹配关系。

这里最关键的是两类对称性：空间反演对称性和时间反演对称性。为了把它们的作用说清楚，我们先以约瑟夫森结为例。约瑟夫森结由左右两个超导体和中间的弱连接组成，左右两端的超导相位差记为 ；后面写到的 ，就是这个结在相位差 和外磁场 下的自由能。

下面几行公式可以配合图示阅读。它们要表达的核心意思只有一个：如果某个对称操作能把“正向流动”和“反向流动”重新对应起来，二极管效应就会被压制。

空间反演对称性对应的是把空间坐标整体取反。对于约瑟夫森结来说，最重要的效果是交换左右两个超导电极，因此相位差 会变成 。但外磁场 是轴矢量，在空间反演下不变。粗略写成公式，就是

时间反演对称性对应的是把运动过程反向。电流方向会反过来，磁场方向也会反过来；在约瑟夫森结里，相位差同样会从 变成 。因此

图4：空间反演和时间反演如何把正反超流重新对应起来。

在这个例子中，约瑟夫森超导电流可以由自由能 对相位差的导数给出：

如果空间反演对称性还在，自由能就会满足

代入上面的电流公式，就会得到

这意味着正向和反向的临界电流被对称性绑在一起，二极管效应难以出现。类似地，如果时间反演对称性还在，则有

在零外场、且时间反演把当前物理态映回自身的情形下，这会退化为 ，从而不支持平衡态的零场二极管效应。这里的前提很重要：如果超导态自发选定某种手性畴，或者实际临界电流由畴运动、涡旋进入、边界势垒等动力学路径决定，零场下仍可能读出非互易信号。

因此，超导二极管不是“随便做个不对称结构”或者“随便加一点磁场”就能稳定出现。它需要让那些会把正向和反向重新等同起来的对称性失效：一方面体系要有空间方向感，另一方面还需要外磁场、磁性，或材料内部自发形成的手性/时间反演破缺背景。

这里用的是约瑟夫森结语言；在体材料或薄膜中，相位差 常会换成超流动量或配对动量等变量，但对称性逻辑相同：只要仍有某个操作把“正向流动”和“反向流动”重新等同起来，二极管效应就会被压制。

这也是为什么超导二极管的实现平台五花八门：有的依靠外磁场和自旋轨道耦合，有的依靠非中心对称晶体，有的依靠铁磁层和超导层组成的异质结构，有的则来自材料内部自发形成的手性或时间反演破缺背景。

04

从理论草图到实验赛道

一个理论概念要真正进入实验赛道，通常要跨过两道门槛：先证明它确实能被看见，再证明它可以被控制、优化，并和真实器件功能接上。

超导二极管之所以在近年迅速升温，首先是因为它带来了明确的应用想象。超导电路本来就以低损耗著称；如果其中还能实现整流、方向保护、逻辑操作和信号转换，人们就有机会构造新型低功耗超导电子学元件。但真正实用的超导二极管不能只在论文图里漂亮。它必须回答一串更具体的问题：能不能在零外磁场下工作？二极管方向能不能被控制和翻转？效率能不能足够高？工作温度能不能提高？能不能和逻辑运算结合？

这些问题的第一批答案，来自几个标志性的早期实验。

2020年，一个代表性实验在人工超晶格中观察到超导二极管效应[4]。这个结构没有空间反演中心；在外磁场和极性结构共同作用下，正向和反向的临界电流出现差别。换句话说，样品在一个方向上还能保持零电阻流动，换到相反方向时却更早进入有耗散状态。它的意义不在于一步到位地给出终极器件，而在于把“超导也能像二极管一样认方向”变成了清晰可测的实验事实。

很快，问题又向前推进了一步：如果不依赖持续外加磁场，约瑟夫森结本身能不能成为二极管？

2022年，研究者在 NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂范德华异质结中实现了零场约瑟夫森二极管效应[5]。这个器件的重要之处，不只是正反临界电流不同，而是把二极管效应真正做进了约瑟夫森结里：两个超导电极隔着势垒相互“感应”，库珀对依靠相位相干建立超流，并且在零外场下就能分辨方向。

从这以后，研究重心迅速从“能不能看到效应”，转向“能不能把效应做成可用功能”。零场工作、极性翻转、逻辑运算、高效率和更高工作温度，逐渐成为这条赛道上的关键词。

一个重要方向仍然是范德华异质结。二维材料像积木一样可以层层堆叠，界面干净、结构可设计，非常适合制造对称性被精细打破的量子器件。沿着零场和可控性的思路，物理所相关团队与合作者近期在 NbSe₂/Fe₃GeTe₂/NbSe₂范德华铁磁约瑟夫森结中，观察到高效、极性可逆的零场超导二极管效应，并进一步展示了异或门逻辑操作[6]。这里的关键词是“零场”和“可逆”：器件不需要一直依赖外加磁场维持二极管行为，二极管的方向还可以通过磁性状态进行调控。

另一条路线，是把工作温度往上推。清华大学、南方科技大学、北京量子信息科学研究院等单位的合作团队报道了液氮温区的量子超导二极管效应[7]。他们基于高温超导转角约瑟夫森结，在零磁场、液氮温区实现了可调超导二极管效应，并在微波调控下达到理想整流效率。这里的亮点可以先记住两点：超导二极管的制冷门槛被大幅降低，整流行为还可以被微波精确调控。

这些进展合在一起，勾勒出一条清楚的路线：从理论草图，到可测实验现象；从需要外场辅助的非互易超流，到零场约瑟夫森器件；再到极性可逆、逻辑演示和更高温区工作。超导二极管已经不只是一个漂亮概念。它正在变成一个实验平台：一边服务于低功耗超导电子学，一边反过来检验我们对超导材料内部结构的理解。

图5：超导二极管从“看见效应”走向“器件功能”的实验发展路线。

05

它不只是零件，还是探针

如果只把超导二极管理解成未来电子学里的一个小零件，那就低估了它的物理价值。

在许多前沿材料中，最难回答的问题不是“它能不能导电”，而是“它内部到底形成了怎样的有序态”。这些有序态有时不直接表现为普通电阻的变化，却会改变电流对方向、磁场、温度历史和器件几何的响应。超导二极管效应正好对这些隐藏信息非常敏感。

Kagome超导体CsV₃Sb₅是一个很好的例子。

Kagome这个名字来自一种类似竹篮编织纹样的几何结构。电子在这种晶格上运动时，会同时遇到几何挫折、拓扑能带和关联效应。AV₃Sb₅家族材料，A 可以是 K、Rb 或 Cs，近年来因为电荷序、拓扑能带、非常规超导等现象而受到高度关注[8-14]。它们像一间很热闹的舞台：不同有序态在同一个材料里同时登场，还可能彼此纠缠。

2024 年的一项实验工作报道了CsV₃Sb₅中的超导二极管效应和干涉图样[15]。尤其引人注意的是，实验在无外加磁场时也观察到超导二极管效应，而且二极管极性会受到热历史调制。研究者据此提出，这种行为提示材料中可能存在动态超导畴，并处在自发时间反演破缺的背景中。

这句话听起来有些专业，我们可以换个说法：即使外界没有给它一个明确的磁场方向，材料内部似乎也会自己选出某种“左”或“右”。不同的冷却或训练历史，可能让不同的内部畴占上风，于是电流的单向偏好也跟着改变。

也就是说，零场超导二极管效应在这里并不是简单违反前面的对称性讨论，而是在提醒我们：实验读出的可能是某个被选中的畴，或者是正反扫流时不同的失稳路径。它更像一枚探针，把材料内部的手性选择和动力学过程转化成可测的临界电流差异。

这并不意味着只要看到零场超导二极管效应，就能立刻断言发现了某种时间反演破缺超导态。真实材料里还有涡旋、边界、畴运动、器件不均匀性等许多可能因素。科学判断不能只靠一个信号定案。

但它确实提供了一种简洁、灵敏的读出方式。它告诉研究者：这里可能有隐藏的手性、畴结构，或者某种自发选择时间方向的有序态。接下来再结合干涉图样、磁场角度依赖、热历史、空间成像和其他谱学测量，才能逐步拼出材料内部的真实图景。

因此，超导二极管不仅能“用”，还能“看”。它看见的不是普通显微镜下的形状，而是量子材料内部的对称性和有序态。

图6：零场超导二极管效应把材料内部的隐藏方向选择转化为可测的临界电流差异。

06

下一代电子学，也许先从一扇小门开始

回到开头的地铁闸机。

普通闸机负责管理人流方向。普通二极管负责管理电流方向。超导二极管则更奇特：它管理的是一种近乎无耗散的量子流动，而且这种管理方式常常来自材料内部被打破的对称性。

这让它同时拥有两种身份。

第一，它是器件。未来的超导电子学如果想要更低能耗、更高灵敏度、更好地服务量子计算和低温信号处理，就需要类似二极管这样的非互易元件。方向可控、零场工作、高效率和较高工作温度，都是走向应用的重要台阶。

第二，它是探针。超导二极管效应能把材料内部不容易直接看见的方向感，转化成正反临界电流的不对称。对于非常规超导、手性超导畴、时间反演破缺、界面诱导磁性和多层量子结构，这种探针有时格外敏感。

所以，超导二极管的故事不只是“让电流单向通行”。它更像是在问一个深一点的问题：当量子材料进入无耗散流动的状态时，它内部还藏着怎样的方向选择？

也许下一代电子学的一块关键积木，就会从这样一扇小小的“单向闸机”开始。

参考文献

[1]: 这里的“迅速升温”也反映在学术会议议题上：APS 三月会议近年已出现 “Superconducting Diodes”，“Nonreciprocal Superconductivity”，“The Superconducting and Josephson Diode Effects” 等相关分会。这说明超导二极管已经不只是少数论文里的新奇效应，而是正在成为理解非互易超流、探索低功耗超导器件的重要入口。

[2]: J. P. Hu, C. J. Wu, and X. Dai, "Proposed Design of a Josephson Diode", Phys. Rev. Lett. 99, 067004 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.067004

[3]: Y. Zhang, Y. Gu, P. Li, J. Hu, and K. Jiang, "General Theory of Josephson Diodes", Phys. Rev. X 12, 041013 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.041013

[4]: F. Ando et al., "Observation of superconducting diode effect", Nature 584, 373-376 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2590-4

[5]: H. Wu et al., "The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure", Nature 604, 653-656 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04504-8

[6]: G. Hu, Y. Han, H. Guo, S. Lv, T. Gao, Y. Wang, Z. Zhao, K. Zhu, Q. Qi, G. Xian, S. Zhu, L. Bao, X. Lin, W. Zhou, K. Jiang, J. Hu, H. Yang, and H.-J. Gao, "Polarity-Reversible Zero-Field Diode Effect in van der Waals Ferromagnetic Josephson Junction for Logic Operation", Adv. Mater. 38, 2513434 (2026). https://doi.org/10.1002/adma.202513434

[7]: H. Wang, Y. Zhu, Z. Bai, Z. Lyu, J. Yang, L. Zhao, X. J. Zhou, Q.-K. Xue, and D. Zhang, "Quantum superconducting diode effect with perfect efficiency above liquid-nitrogen temperature", Nat. Phys. 22, 47-53 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03098-y

[8]: B. R. Ortiz et al., "CsV3Sb5: A Z2 Topological Kagome Metal with a Superconducting Ground State", Phys. Rev. Lett. 125, 247002 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.247002

[9]: X. Feng, K. Jiang, Z. Wang, and J. Hu, "Chiral flux phase in the Kagome superconductor AV3Sb5", Sci. Bull. 66, 1384-1388 (2021). https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.04.043

[10]: Y.-X. Jiang et al., "Unconventional chiral charge order in kagome superconductor KV3Sb5", Nat. Mater. 20, 1353-1357 (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01034-y

[11]: H. Zhao et al., "Cascade of correlated electron states in the kagome superconductor CsV3Sb5", Nature 599, 216-221 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03946-w

[12]: H. Chen et al., "Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor", Nature 599, 222-228 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03983-5

[13]: C. Mielke III et al., "Time-reversal symmetry-breaking charge order in a kagome superconductor", Nature 602, 245-250 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04327-z

[14]: J. Zhan et al., "Loop Current Order on the Kagome Lattice", Phys. Rev. Lett. 136, 126001 (2026). https://doi.org/10.1103/5vyy-rj6v

[15]: T. Le et al., "Superconducting diode effect and interference patterns in kagome CsV3Sb5", Nature 630, 64-69 (2024). https://www.nature.com/articles/s41586-024-07431-y

编辑：凉渐

文章转载自“中科院物理所”公众号