【导读】 只需一个微小的电流，就能像开关灯一样随意操控超导电流的方向——这不再是科幻场景。近日，南京大学、浙江大学及紫金山实验室等机构的研究团队在超导电子学领域取得了一项令人振奋的突破：他们成功研发出一种纳米尺度的“电热开关”超导二极管。该器件无需调节外部磁场，仅通过微小的栅极电流就能原位实现极性切换和开关控制，为未来低功耗、可编程的超导电子器件和混合量子系统铺平了一条全新且可扩展的道路。这一成果以“Nanoscale Electrothermal Switch Superconducting Diode for Electrically Programmable Superconducting Circuits”为题，发表于国际知名期刊《Nano Letters》。
传统超导二极管的“瓶颈”：离不开磁场调控，也难大规模集成
超导二极管，顾名思义，能让超导电流（零电阻电流）在某个方向上畅通无阻，而在相反方向上受到抑制——这对于打造极低功耗的超导电路和量子技术而言，无疑是一张“王牌”。
然而，现有的超导二极管往往存在重要的局限：它们大多依赖于复杂的异质结或极其精细的界面工程来实现非互易性（即“单向导电性”），并且依赖外部磁场的调控来实现极性的开关和切换。这种依赖不仅限制了对单个器件的局部控制，也极大地阻碍了超导电路的大规模集成和应用。换句话说，想把这些器件凑在一起协同工作，难度极大。
那么，有没有一种方法，既能用电信号直接“发号施令”，又兼容现有的微纳加工技术？
灵感来自“超导纳米低温管”：一个“热点”，打破空间反演对称性
为了攻克这一难题，联合研究团队从一种名为“超导纳米低温管（nTron）”的器件中获得了关键灵感。他们设计了一种具有四个端口的铌氮（NbN）超导纳米线结构。
图1：新型“电热开关”超导二极管：示意图（左）及扫描电子显微镜（SEM）图像（右）。微小的栅极电流在纳米线上产生局部“热点”，从而打破空间反演对称性。
研究人员的巧妙之处在于：他们在纳米线侧边巧妙了设计的纳米尺度的电流栅极，通过施加一个微小电流——仅几十微安——就能在纳米线上产生一个局部的“纳米级热点”。这个热点并不会摧毁整条线的超导性，而是制造出一个可控的温度梯度。正是这个温度梯度，从空间上打破了器件的对称性，从而“唤醒”了超导二极管效应。
更令人兴奋的是，研究团队在同一个器件中发现了两种共存的非互易传输机制 ：
1. 超导-正常态转变二极管效应 (SN-SDE)：在高耗散状态下，不同方向的电流导致超导态破灭的临界点不同，效率最高可达42% 。
2. 磁通运动二极管效应(V-SDE)：在低耗散状态下，由量子化磁通涡旋（Vortex）的棘轮式运动引起，效率高达 60% 。
图2： 电流电压特性展现出两种超导二极管效应：超导-正常态转变二极管效应（SN-SDE,上图蓝色区间）和超导磁通运动二极管效应（V-SDE,上图黄色区间）。
原位电学调控：像“变形金刚”一样可重构的超导电路
得益于这种独特的“电热开关”机制，这款超导二极管展现出了前所未有的调控灵活性。研究人员无需改变外部磁场，只需改变施加在不同侧边栅极上的电流，就能瞬间开启、或关闭二极管效应，甚至直接反转二极管超导电流的导通方向。
图3：可编程超导二极管：控制热点位置可以实现超导二极管的极性反转和开关
为了展示这种器件的强大潜力，团队利用标准的微纳加工技术，将四个相同的电热开关超导二极管集成在一起，构建了一个多功能、可编程“超导桥式整流器”。
图4：多功能可编程超导电路应用。由四个电热开关二极管组成的电可编程超导电路阵列（左图）。通过电学指令，该电路可灵活切换为全波整流（正向/反向）或半波整流（正向/反向）（右图）。
通过简单的电学指令，这个超导电路可以像“变形金刚”一样实时重新配置，轻松在“正向全波整流”、“反向全波整流”以及“半波整流”等多种模式之间自由切换 。
展望未来：为未来超导计算与量子系统打开新的大门
这项工作不仅为理解电热驱动的非互易超导现象提供了微观物理框架，更重要的是，它为解决超导电子器件的扩展性和可控性难题提供了一条切实可行的道路。
凭借与现有光刻技术的高度兼容性、优异的性能以及便捷的栅极调控功能，这种纳米级电热开关超导二极管有望在未来的高能效超导逻辑电路、神经形态计算以及可重构量子信息系统中发挥核心作用。可以期待，在不久的将来，我们或许能看到完全由电信号编程的超导处理器芯片。
该工作由南京大学超导电子学研究所牵头，联合浙江大学、紫金山实验室等单位完成。该论文共同第一作者为南京大学电子科学与工程学院博士生李甜雨、李冲博士和浙江大学李煚博士，共同通讯作者为南京大学吕阳阳助理教授、王永磊教授、王华兵教授以及浙江大学陈庆虎教授。研究得到“量子通信与量子计算机”国家科技重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文原文：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00080
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arXiv:2508.06083 (To appear in National Science Reviews)
