超导体，作为一种展现独特宏观量子效应的材料，在信息技术领域的发展中扮演着越来越重要的角色。尤为引人瞩目的是，近年来发现的超导二极管效应，为超导体的研究注入了新的活力，已成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究焦点之一。凭借无耗散的单向导通特性，超导二极管效应不仅能够为超低功耗电子器件的开发提供全新思路，突破传统电子器件的能耗瓶颈，而且还有望推动新型计算范式的快速发展。因此，探索如何利用超导二极管效应来构建新原理电子器件，已成为凝聚态物理与信息技术交叉领域内一个广泛关注的议题。
近日，南京大学梁世军副教授、缪峰教授和南京理工大学程斌教授合作团队通过采用“原子乐高”技术，构筑了新型伊辛超导-垂直磁各向异性量子材料，观察到磁矩依赖的超导二极管效应，并在零磁场下实现了超导二极管的非易失电控开关。进一步，团队利用该现象构筑了单个量子神经元晶体管，实现了对大脑皮层神经元异或分类功能的模拟。该工作为发展基于超导量子材料的类脑计算提供了一条可行的技术路线。相关研究成果以“Electrical switching of Ising superconducting nonreciprocity for quantum neuronal transistor（面向量子神经元晶体管的伊辛超导非互易性电控开关）”为题于2024年06月10日发表在Nature Communications（《自然·通讯》）上。
在这项工作中，研究团队首先将范德华铁磁材料Fe3GeTe2和伊辛超导材料NbSe2进行堆垛，构筑了具有垂直磁各向异性的伊辛超导（perpendicular-anisotropy Ising-superconducting（PAIS））人工量子材料NbSe2/Fe3GeTe2（图1a）。构筑的量子材料保留了NbSe2伊辛超导的性质，在温度小于Tc ≈ 2.95 K时进入零电阻的超导状态（图1c）。同时，NbSe2和Fe3GeTe2界面处的磁近邻诱导效应能够打破时间反演对称性，在无外磁场时，产生磁矩依赖的超导二极管效应（图1d-g）。因为PAIS器件的超导二极管极性易受磁矩状态的控制，因此可以通过磁矩状态的电控翻转来实现对超导二极管极性的操控。借助这一思路，研究团队首先在零磁场下对器件施加电流脉冲，观察到当施加的电流脉冲的幅值达到阈值时，霍尔电阻的符号会发生翻转（图2a）。由于霍尔电阻的符号对应于磁矩的状态（图2b），这一现象表明脉冲电流能够在无外磁场下翻转磁矩状态。随后，研究团队利用电流驱动的磁矩翻转机制实现了超导二极管极性的非易失翻转（图2c），这为利用超导二极管效应开发新原理低功耗信息器件提供了重要的物理基础。
图1：磁矩依赖的超导二极管效应。a. PAIS器件示意图，器件由范德华材料NbSe2和Fe3GeTe2构筑而成。在进行电学输运测试时，沿着x轴方向施加电流，并分别在x轴和y轴方向探测纵向电阻Rxx和霍尔电阻Rxy。b. PAIS器件的光学显微镜照片（黑色虚线：Fe3GeTe2；红色虚线：NbSe2；比例尺：3 μm）。c. 在施加0.5 μA电流时，器件电阻对温度的依赖关系。d. 在温度为1.6 K、磁矩状态为“UP”时，不同磁场下电阻随正/负电流的变化关系。e. 在磁矩状态为“UP”时，非互易的临界电流ΔIc与磁场的依赖关系。f. 当温度为1.6 K、磁矩状态为“DOWN”时，不同磁场下电阻随正/负电流的变化关系。g. 在磁矩状态为“DOWN”时，非互易的临界电流ΔIc与磁场的依赖关系。
图2：超导二极管极性的电控翻转。a. 在温度为1.6 K时，零磁场下电流驱动的磁矩翻转。施加的电流脉冲的幅值达到阈值时，霍尔电阻的符号会发生翻转。b. 在温度为1.6 K时，霍尔电阻与垂直磁场的依赖关系。c.超导二极管极性的非易失电控翻转的示意图（上图）和实验数据展示（下图）。
研究团队随后进行了理论计算，为超导二极管的非易失电控翻转行为提供了相应的机制解释。理论计算揭示，观测到的超导二极管效应和相应的无磁场电控翻转来源于PAIS量子材料界面处伊辛自旋轨道耦合和磁近邻效应的共同作用。一方面，范德华界面处不可避免会存在应变以及晶格失配，这使得NbSe2的旋转和镜面对称性破缺，从而产生一个面内电极化P。这个面内电极化P与垂直磁矩M耦合而形成磁环形矩（magneto-toroidal moment），并产生对应的非互易输运行为，即超导二极管效应。同时，由于晶格对称性的降低，施加的电流会导致不对称的贝里曲率分布，进而产生垂直方向的谷磁化，实现垂直磁矩的电控翻转。另一方面，NbSe2中存在的三角翘曲效应和Fe3GeTe2磁近邻效应的共同作用也可以打破该体系的晶格对称性，并诱导可电控翻转的超导二极管效应的产生。如图3a-b所示，状态为“UP”的磁矩的近邻作用会增强NbSe2中K能谷的自旋极化，同时降低K’能谷的自旋极化，进而诱导出一个有限的库珀对动量，最终形成超导二极管效应。与之相反，状态为“DOWN”的磁矩会诱导出大小相同但方向相反的库珀对动量（图3c-d），即产生极性相反的超导二极管效应。这种极性可调的超导二极管效应可以通过伊辛自旋轨道耦合诱导的垂直自旋极化进行翻转（图3e），这与实验中所观测到无磁场超导二极管电控开关效应是一致的。
图3：可电控翻转的超导二极管的物理机制。a. 当磁矩状态为“UP”时，在NbSe2第一布里渊区的费米面和自旋分布。色阶表示面外自旋的分量大小。红色和蓝色实线分别表示自旋向上和自旋向下的能带。b. 当磁矩状态为“UP”时，磁近邻效应诱导的具有有限动量库珀对的示意图。虚线和实线分别表示无磁近邻效应和有磁近邻效应的能带。c. 当磁矩状态为“DOWN”时，NbSe2的费米面和自旋分布。d. 当磁矩状态为“DOWN”时，磁近邻效应诱导的具有有限动量库珀对的示意图。e. 电流诱导的自旋极化密度。插图是自旋分布受电流所产生电场影响的示意图。红色和蓝色实线分别表示自旋向上和自旋向下的能带。橙色和绿色阴影区域分别代表K谷处自旋向上极化的净积累量和K’谷处自旋向下极化的净积累量。
最后，研究团队利用超导二极管的非易失电控翻转现象，提出了一种新型的量子晶体管，模拟了大脑皮层神经元的异或分类功能（图4a和b）。在实验中，研究团队通过电极将输入和控制信号（用X和Y表示）输入到量子晶体管器件中。其中，控制信号Y用于实现垂直磁矩的确定性翻转，从而控制超导二极管的极性状态（“ΔIc> 0”和“ΔIc < 0”分别对应状态“1”和“0”）。输出状态（“1”或“0”）由器件的阻值（高或低）表示。为了演示所提出的晶体管的功能，研究团队通过在该器件上施加一系列正负电流脉冲来切换超导二极管的极性状态（图4c），并测量输出状态（图4d）。实验结果表明，器件不仅具有巨大的开关比（>200,000%），而且具有超低的电阻面积乘积（≈0.1 Ω⋅μm2），这远超传统基于磁隧穿结存储器的性能。进一步，研究团队利用单个器件展示了对线性不可分输入的分类功能。在实验中，当超导二极管极性设置为状态“1”时，器件只有在接收到较大负电流脉冲时，才会输出相应的脉冲信号（图4e）。相反地，当超导二极管极性设置为状态“0”时，器件只有在接收到较大正电流脉冲时，才会输出对应的脉冲信号。量子晶体管的这些现象能够很好地模拟大脑皮层神经元的选择性阈值响应行为。仅利用单个量子晶体管就可以实现异或门这一需要多个传统晶体管才能实现的非线性逻辑功能（图4f和g），在低功耗计算方面展现出巨大的应用潜力。该工作不仅推动了超导二极管效应的研究，也为发展超导神经形态计算提供了一种新的技术路线。
图4：量子神经元晶体管。a. 大脑皮层神经元的示意图。该神经元可以通过非线性异或功能对线性不可分的输入信号进行分类。b. 量子神经元晶体管的示意图。输入信号（用X和Y表示）通过图中所示的电极被输入到器件中。c. 通过施加在器件中的一系列电流脉冲对器件的磁状态实现确定性翻转。电流脉冲的宽度和幅值分别为200 μs和10 mA。d. 通过施加+39 μA的直流电流对器件的纵向电阻进行测量。e. 器件的极性分别处于“ΔIc > 0”和“ΔIc < 0”状态时，器件的脉冲发放对输入电流脉冲的响应。f. 量子神经元晶体管的逻辑功能，其中非线性的输入-输出响应特性依赖于极性状态。g. 量子神经元晶体管的异或功能。虚线框分别表示对于输入状态和极性状态的组合为（0，1）、（1，1）、（0，0）和（1，0）的逻辑状态。
南京大学物理学院博士生熊俊林和谢鲛为论文的共同第一作者，南京大学梁世军副教授、缪峰教授与南京理工大学程斌教授为论文的共同通讯作者。中国科学技术大学陈仙辉院士课题组和美国Rutgers大学的Sang-Wook Cheong教授课题组提供了实验所需样品。该工作得到科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委优秀青年基金、国家自然科学基金委重点/面上项目、江苏省前沿引领技术基础研究重大项目、中科院先导B项目、中央高校基本科研业务费、以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等的支持。
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