孙庆丰课题组提出自旋超导二极管的普适理论
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰教授课题组提出自旋超导二极管的普适理论。相关研究成果以“由自旋轨道耦合普遍引起的自旋超导二极管效应”(Universal spin superconducting diode effect from spin-orbit coupling)为题，于2024年5月21日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
二极管是正向电阻和反向电阻不相等的电子器件，具有单向导通性，是现代集成电路的基本元件。二极管的电阻非零，使得电子器件工作时不可避免地有热耗散，这发热现象是当今亟待解决的难题。2020年，有研究人员实现了超导版的二极管效应，即研究者观测到正向超导临界电流和反向超导临界电流大小不相等。这意味着电流大小在正向、反向超导临界电流之间时，沿单向保持超流、电阻为0的现象。这样的超导器件被称作超导二极管，有很好的整流效应，在低功耗电子器件方面有重要应用前景。
电荷与自旋是电子的两个基本属性。通常超导是电荷的超导，上述超导二极管效应实际上也是电荷的超导二极管效应。在十多年前，他们提出了自旋超导的概念，即由自旋非零的玻色子凝聚形成的超流态。在自旋超导态中，自旋流可以无耗散地传输，自旋阻为零。于2022年，他们指出自旋三重态超导的库伯对既有电荷2e又有自旋S=1，因此自旋三重态超导既是电荷超导又是自旋超导。原则上，类似于电荷超导二极管效应，在自旋超导体中可能存在自旋版本的超导二极管效应。
孙庆丰课题组提出：自旋超导二极管效应普遍存在于有自旋轨道耦合的自旋三重态超导体中。该工作通过金兹堡-朗道理论和能带分析，发现自旋轨道耦合使得自旋↑↑和自旋↓↓的三重态库珀对获得相反的相位梯度，相反的动量，有相反的运动倾向，从而普适地导致自旋超导二极管现象。他们也通过计算确认这自旋超导二极管效应的确普适的存在于各种有自旋轨道耦合的自旋三重态超导体中。此外，他们也提出一种统一理解电荷超导二极管和自旋超导二极管的理论。
北京大学物理学院量子材料科学中心博士生毛岳是该论文第一作者，孙庆丰是通讯作者。该工作的参与者还有量子材料科学中心博士后闫青和博士研究生庄钰晨。上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导专项的支持。
图1 (a)自旋超导二极管效应的自旋流-自旋压曲线示意图，其中正向、反向临界自旋超流不相等。(b)自旋轨道耦合引起的能带劈裂、自旋三重态库珀对的配对方式示意图。(c)不同自旋三重态库珀对的相位梯度和动量示意图。