近日，同为南大校友的吴恒和王瑶佳夫妇，共同以一作身份在 Nature 正刊发文。目前，他们都在荷兰代尔夫特理工大学做博后研究，并打算未来一起回国找教职。
对于研究过程，吴恒说：“最难忘的，便是妻子王瑶佳对我的鼓励，她也是这篇论文的共同一作。我刚从深圳大学到德国马克斯普朗克微结构研究所访问时心态也不是很好，一周大概只能做一个器件。所幸妻子也非常理解我，不停地鼓励我、帮助我，才让我得以全身心地投入到科研中。也是在那段时间，我们得到了约瑟夫森二极管的结果。所以，我非常感谢我的妻子对我的所有帮助。”
该论文的题为《范德华异质结构中的无场约瑟夫森二极管》（The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure），已于 4 月 27 日发表在 Nature 上。
本次工作的一个突破，是在约瑟夫结中首次观测到了无需外加磁场的约瑟夫森二极管效应（Josephson diode）。借助该成果，他们发现了无需外部磁场的单向超导性，为超导领域的研究和应用提供了新的思路和可能。具体来说，吴恒和妻子在反转对称破缺的 NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 范德华异质结构中，让无磁场的约瑟夫森二极管得以实现。在一定电流范围内，器件实现了加正向电流时，可以处于超导态；但加反向电流时，则处于非超导态。这种约瑟夫森结中正负电流不对称的超导响应，有些类似于半导体PN结中的二极管现象[1,2]
同时，他们在器件中进一步实现了对方形波信号的稳定的超导-非超导整流，其开关比可以达到大于 104（受限于测量设备的噪音，理论上开关比是无限大的），也进行了耐久性测试，可以稳定整流 104 次以上。
在应用上，吴恒表示该研究更多的偏向于基础研究，现在这个阶段的研究离实际应用还很远。他认为，目前该工作的结果可能会对既有的基于传统约瑟夫森结的应用研究产生一些新的想法，新的设计。当然更多的是还需要大量其他研究者们的共同努力才能产生真正实际的应用。对于超导二极管的潜在应用方面，如果未来可以使用超导二极管进行计算，预计将带来的最大突破可能在于能缓解计算机的发热问题、以及能耗问题。
传统计算机无论是待机还是计算状态，都无时无刻不在消耗着电力和发热。而如果能够使用超导二极管的话，在待机状态是不需要电力的，也就意味着没有发热；而在计算状态，也有望大量减小对电力的消耗以及散热的问题。但是未来超导二极管的广泛应用也取决于超导体的研究，目前的超导体需要在低温工作，所以除非超导体也产生了质的飞跃，否则很难进行民用。
实际上，在之前已经有人在超导体的研究中把超导现象和二极管效应联系起来，并称之为超导二极管效应（superconducting diode effect）[3,4]。但在此前研究中，这种超导二极管效应的出现依赖于外加磁场的参与，而外磁场并不利于超导集成电路的应用发展。
实现不需要加外磁场的器件也是很多研究中的一个重要方向，比如，在自旋电子学中自旋轨道矩（spin orbit torque）方向实现无磁场下电流调控磁性反转等。吴恒表示：“所以除了对基础物理的影响之外，也有个审稿人称赞我们的工作会对应用领域产生潜在的价值。
当然，无需外加磁场的约瑟夫森二极管效应，也意味着于物理机制和以前的研究是完全不同的。同时，虽然该工作的研究是基于约瑟夫森结的，但从传统的约瑟夫森结理论出发时，就会发现本次结果与传统的理论上有一些相违背之处。一般来说，在传统隧穿型约瑟夫森结的理论中，要求库珀对的隧穿是满足倒易响应的（reciprocal response），约瑟夫森结的性质和电流方向无关。
也就是说，库珀对从第一个超导体隧穿到、第二个超导体的隧穿矩阵、以及它从第二个超导体隧穿到第一个超导体的隧穿矩阵是相同的，即在无磁场的情况下，两边的超导临界电流应该是相同的。
而在该工作中，约瑟夫森二极管（Josephson diode）最大的不同点，是它在无磁场下具有非倒易响应（nonreciprocal response），即在一定电流范围内，正负超导临界电流不一致。
而吴恒认为，由于本次约瑟夫森结中势垒材料的特殊性，这种库珀对的隧穿可能是不一致的，可能会导致非倒易的约瑟夫森二极管的现象。尽管到目前为止，已经有一些理论工作对无磁场约瑟夫森二极管效应进行了相关的研究[2]，但他们目前观测到的现象并没有完善的理论解释，因此在该领域还需更多实验研究和理论研究，去理解无磁场约瑟夫森二极管效应。
吴恒表示：“好在所有审稿人都一致认为这个实验现象非常有意思，毕竟之前所有的超导二极管的实现都是需要外加磁场的，而我们的实验现象却是不需要外部磁场的，具有不同的研究体系和物理机制。”
针对上述问题，吴恒进一步做了许多补充实验，其中包括奇偶层器件、以及其他材料的异质结的对比实验（石墨烯结，NbSe2 结）等，以便更详细地研究不同器件和材料，对无磁场约瑟夫森二极管效应的影响。最后，审稿人这些补充结果表示满意。
“注意到这个现象以后并不是很兴奋”
吴恒坦言，最初做该课题的目的并不是无磁场约瑟夫森二极管效应。在一开始的课题设计上，除了利用普通电学器件研究材料性质之外，他所在团队希望通过约瑟夫森结的超导电子，来进一步研究材料的本征性质、以及与之相关的约瑟夫森效应。
最近几年，有很多利用超导研究材料本征特性的研究，比如利用有边界态的拓扑材料做非超导层，其两个边界态主导的超导电流可以相互干涉，从而产生单一超导通道无法实现的超导量子干涉效应[5,6]。
而在该课题组之前的研究中，他们感觉似乎 Nb3Cl8 材料也存在表面态[7]。所以，在一开始，吴恒抱着试试看的目的，希望能通过约瑟夫森结对 Nb3Cl8进行进一步研究。但在多次实验之后，并没有成功地制备出 Nb3Cl8 的约瑟夫森结，后来他转向选择和它相近的 Nb3Br8 材料，这样更容易得到薄膜。
最终，他成功制备出薄层 Nb3Br8 的约瑟夫森结。他说：“也许是基于之前所制备的多个器件结果以及实验失败的经验积累，我注意到样品中正负超导临界电流的不一致。当然，注意到这个现象以后并不是很兴奋，因为当我们调研了文献后得知，居然没有人发现过同样的无磁场下临界电流不一致现象（加磁场后电流差逐渐减小），相关的理论研究也非常少，于是我们尽可能地去思考这个现象是否来自于一些平庸效应，或者存在仪器本身的误差。”
为此，他们也做了很多其他的测量，来排除大家能想到的外部效应，比如热效应、仪器的磁场零漂、自场效应等，也重复了很多其他器件，并和同一个仪器的同事对比数据。最终，他确信此次测到的无磁场约瑟夫森二极管效应是真实的，并不是来自于其他外部效应。
“经过我们的讨论，认为它可能对无磁场约瑟夫森二极管效应有贡献。但目前这只是一个可能的猜想，但由于整个领域中相关理论很少，要想得出完善的理论解释，还需进行更多实验和理论研究。”他表示。
“更清晰的物理理解”
在后续实验计划的话，主要分为两个方向，一是继续探究器件的性能极限；另一个是希望能通过更多的实验以及理论合作，来探究无磁场约瑟夫森二极管的微观物理机制。
在探究器件性能极限方向上，吴恒表示，目前约瑟夫森二极管用于实现超导整流的电流窗口是比较小的。后续，他希望增大约瑟夫森二极管的电流调控范围。
在探究物理机制方向上，由于无磁场约瑟夫森二极管现象，不同于传统约瑟夫森结的理论。虽然最近几年开始有一些相关的理论研究，但是该团队目前无法给出一个完整的物理解释，只是推测可能是来自于非倒易的超导电子对的隧穿效应。
因此，吴恒希望通过更多实验结果，比如在其他体系中实现无磁场约瑟夫森二极管现象等，来和理论物理研究者一起合作，对无磁场约瑟夫森二极管现象给出更清晰的物理理解。
据介绍，吴恒是江苏无锡人，现在是代尔夫特理工大学的一名博后。本科和妻子一起毕业于郑州大学，并被共同保送至南京大学进行硕博连读，他的科研方向是多铁材料的纳米颗粒和陶瓷的制备，以及对它们的磁性和电性研究等。
毕业后，他来到深圳大学做博后，在博后期间其转向铁电和磁性的二维材料研究。再后来，他来到德国马克斯普朗克微结构研究所做访问，在那里开始接触了二维异质结（垂直结构约瑟夫森结）的研究，发现了无磁场约瑟夫森二极管效应。紧接着，他有和妻子来到代尔夫特理工大学。
对于未来他表示：“我妻子和我都有回国打算，但目前还没有联系学校，希望我们将来能够为祖国的基础科研事业尽自己的一份力。”
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参考：
1Kou Misaki & Nagaosa, N. Theory of the nonreciprocal Josephson effect. Phys. Rev. B 103, 245302 (2021).
2Hu, J., Wu, C. & Dai, X. Proposed design of a Josephson diode. Phys. Rev. Lett. 99, 067004 (2007).
3Wakatsuki, R. et al. Nonreciprocal charge transport in noncentrosymmetric superconductors. Sci. Adv. 3, e1602390 (2017).
4Ando, F. et al. Observation of superconducting diode effect. Nature 584, 373-376 (2020).
5Choi, Y. B. et al. Evidence of higher-order topology in multilayer WTe2 from Josephson coupling through anisotropic hinge states. Nat Mater 19, 974-979 (2020).
6Wang, Y., Lee, G.-H. & Ali, M. N. Topology and superconductivity on the edge. Nat. Phys. 17, 542-546 (2021).
7Yoon, J. et al. Anomalous thickness-dependent electrical conductivity in van der Waals layered transition metal halide, Nb3Cl8. J. Phys.: Condens. Matter 32, 304004 (2020).
8Xu, Y. et al. Three-Dimensional Real Space Invariants, Obstructed Atomic Insulators and A New Principle for Active Catalytic Sites. arXiv: 2111.02433v1 (2021).
9Xu, Y. et al. Filling-Enforced Obstructed Atomic Insulators. arXiv:2106.10276 (2021).
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