范德华铁磁约瑟夫森结中高效和极性可逆的零场超导二极管效应 | 进展

超导电子学凭倚高能效与量子特性的独特优势而在量子处理器、超精密传感器以及超越摩尔定律的计算架构等领域具有变革性的应用潜力。而超导二极管是这种架构的核心组成部分，尤其是极性可调的超导二极管不仅能够实现新型的可重构逻辑门和存储单元，还可以通过极性调制实现非对称元件的动态编程，如隔离器和整流器等，其对高频低损耗信号的处理至关重要。目前，尽管在超导二极管研究方面已取得了较多实验进展，但多数超导二极管均需施加外磁场实现，并面临效率较低、极性随机等问题，从而限制了其在未来超导电路中的实际应用。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心杨海涛研究员、蒋坤研究员、高鸿钧院士等与中国科学院大学的周武教授团队合作，在构筑的高质量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，并成功实现了异或门（XOR）的逻辑操作。

范德华铁磁约瑟夫森结是由伊辛超导体NbSe₂和巡游铁磁体Fe₃GeTe₂层垂直堆叠而成，STEM结果显示异质结区具有洁净且原子级平整的界面。在无外磁场作用下，不对称的电流-电压曲线证实了该异质结具有零场二极管效应，且该二极管效应的大小和极性可以通过施加微弱的预磁化磁场改变铁磁层的磁性状态进行调控。在半波整流测试中，该零场超导二极管表现出极性可逆且高度稳定的整流行为。进一步通过优化Fe₃GeTe₂层的厚度，在器件中可实现高达34.1%的二极管效率，基于这种高效且极性可逆的二极管效应成功实现了异或门（XOR）逻辑运算。该工作不仅建立了混合铁磁-超导体系中超导相位相干性与铁磁态之间的关联，同时为实现二维低耗散超导逻辑电路与超导自旋电子器件开辟了新途径。

图：范德华铁磁约瑟夫森结中极性可逆的零场超导二极管效应及其逻辑运算功能的演示。（a）垂直NbSe₂/ Fe₃GeTe₂/NbSe₂约瑟夫森结的示意图，该结在一个方向上呈现正常电子隧穿，而在反方向上呈现库珀对隧穿。（b) 双通道构型异质结器件的光学图像与结区的STEM图像。（c）相反极性的电压-电流曲线。（d）极性可逆且稳定的半波整流测试。（e）对器件施加脉冲磁场与脉冲电流下极性的确定性切换及对应的整流行为。（f）在施加脉冲磁场和脉冲电流作为输入信号下得到的XOR逻辑门运算的真值表。

相关研究成果以“Polarity-reversible zero-field diode effect in van der Waals ferromagnetic Josephson junction for logic operation”为题，于2025年12月3日在线发表于Advanced Materials，博士后胡国静与博士生韩烨超为共同第一作者，杨海涛研究员、蒋坤研究员、周武教授和高鸿钧院士为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国科学院、量子科学与技术创新计划和CAS基础研究青年科学家项目的资助以及中国科学院大学电子显微镜中心的支持。

编辑：LogicMoriaty