近日，beat365官方网站量子材料科學中心孫慶豐教授課題組提出自旋超導二極管的普适理論。相關研究成果以“由自旋軌道耦合普遍引起的自旋超導二極管效應”(Universal spin superconducting diode effect from spin-orbit coupling)為題，于2024年5月21日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

二極管是正向電阻和反向電阻不相等的電子器件，具有單向導通性，是現代集成電路的基本元件。二極管的電阻非零，使得電子器件工作時不可避免地有熱耗散，這發熱現象是當今亟待解決的難題。2020年，有研究人員實現了超導版的二極管效應，即研究者觀測到正向超導臨界電流和反向超導臨界電流大小不相等。這意味着電流大小在正向、反向超導臨界電流之間時，沿單向保持超流、電阻為0的現象。這樣的超導器件被稱作超導二極管，有很好的整流效應，在低功耗電子器件方面有重要應用前景。

電荷與自旋是電子的兩個基本屬性。通常超導是電荷的超導，上述超導二極管效應實際上也是電荷的超導二極管效應。在十多年前，他們提出了自旋超導的概念，即由自旋非零的玻色子凝聚形成的超流态。在自旋超導态中，自旋流可以無耗散地傳輸，自旋阻為零。于2022年，他們指出自旋三重态超導的庫伯對既有電荷2e又有自旋S=1，因此自旋三重态超導既是電荷超導又是自旋超導。原則上，類似于電荷超導二極管效應，在自旋超導體中可能存在自旋版本的超導二極管效應。

孫慶豐課題組提出：自旋超導二極管效應普遍存在于有自旋軌道耦合的自旋三重态超導體中。該工作通過金茲堡-朗道理論和能帶分析，發現自旋軌道耦合使得自旋↑↑和自旋↓↓的三重态庫珀對獲得相反的相位梯度，相反的動量，有相反的運動傾向，從而普适地導緻自旋超導二極管現象。他們也通過計算确認這自旋超導二極管效應的确普适的存在于各種有自旋軌道耦合的自旋三重态超導體中。此外，他們也提出一種統一理解電荷超導二極管和自旋超導二極管的理論。

beat365官方网站量子材料科學中心博士生毛嶽是該論文第一作者，孫慶豐是通訊作者。該工作的參與者還有量子材料科學中心博士後闫青和博士研究生莊钰晨。上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導專項的支持。

圖1 (a)自旋超導二極管效應的自旋流-自旋壓曲線示意圖，其中正向、反向臨界自旋超流不相等。(b)自旋軌道耦合引起的能帶劈裂、自旋三重态庫珀對的配對方式示意圖。(c)不同自旋三重态庫珀對的相位梯度和動量示意圖。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.216001