近日，理学院物理系特聘副研究员张燚博士和中国科学院物理研究所胡江平研究员团队合作在物理学著名期刊Phys. Rev. X上发表了题为“General Theory of Josephson Diodes”的论文。张燚为论文的第一作者，上海大学物理系是第一单位，中科院物理所胡江平研究员和蒋坤研究员为共同通讯作者。张燚老师是上海大学理学院物理系新引进的青年学者，主要从事强关联电子系统和非常规超导电性的研究。
约瑟夫森二极管效应可以被看作是半导体二极管在超导约瑟夫森结中的类比。具体而言，如图1所示，约瑟夫森二极管效应的基本特征就是当电流向左传导时表现出无耗散的超导电流；当电流向右传导时表现出耗散的普通电流。该二极管的电流-电压特征曲线如图2所示, 系统存在一个正向 (这里为向左) 临界电流 I_(c+)。当正向电流 I<I_(c+) 时，系统表现出典型的零电阻现象; 当电流 I>I_(c+)时，系统表现出 V≠0 耗散的正常电阻。同样，在反向电流中，存在另外一个临界电流 〖-I〗_(c-)。I_(c+)≠I_(c-) 就是二极管的特性现象。如果施加一个幅度 I_0电流方波（I_(c-)<I_0<I_(c+)），系统则表现出向左超导，向右电阻的二极管效应。对于约瑟夫森结而言，除了 I_c 二极管效应外，由于存在势垒层和在扫描过程中的电荷积累，约瑟夫森结还存在一个回归电流 I_r。I_(r+)≠I_(r-)是约瑟夫森结的另外一个二极管特征。
在新发表的论文中，作者进一步拓展约瑟夫森二极管效应的理论研究。他们对约瑟夫森二极管现象进行对称性分析和分类。第一类在空间反演对称性破缺下发生，需要依赖电压的历史和电荷积累的 I_(r+)≠I_(r-) 现象就是空间反演对称性破缺的典型要求，比如约瑟夫森结结构的不对称、Rashba 自旋轨道耦合效应等。第二类需要破坏时间反演对称性。因为 I_(c+)≠I_(c-) 现象发生在电压等于0的情况， 系统需要在电流等于0时破坏时间反演对称性，比如内禀磁性或者外加磁场。因此约瑟夫森结二极管可以分成时间反演破缺型和空间反演破缺型。对于这两类二极管，他们分别提出多种实现方案并进行理论计算。最后这一理论工作给近期发现的NbSe2/Nb3Br8/NbSe2约瑟夫森二极管现象提出理论解释。
该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院先导项目以及中科院稳定支持基础研究领域青年团队的资助。
论文链接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041013
