微型半导体通道让超导电流具有优先方向
东京大学和纽约大学的研究人员研制出一种半导体器件，使电流沿一个方向流动时比沿相反方向更容易实现无电阻传输。该器件的超导二极管效率最高达到20%，在仅100纳米长的通道中结合了电控和磁效应。
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研究结果于2026年11月5日发表在《Communications Materials》上，来自研究人员在0.03开尔文（接近绝对零度）条件下开展的实验。未配备栅电极的器件可传输最高3.00微安的超导电流。在配备栅极的器件中，施加负电压会降低无电阻电流的上限。
东京大学团队成员包括博士研究员原弘隆、副教授杜德英和教授田中雅明；他们与纽约大学的研究人员合作，后者包括博士研究员卢卡斯·贝克和教授贾瓦德·沙巴尼。该结构结合了铝、砷化铟以及含铁锑化镓，将超导性和磁性引入同一条半导体电流通路。
这项成果目前是用于控制超导电流的实验室基础器件。东京大学在11月5日的公告中指出，其潜在应用包括能耗更低的电子设备和未来的量子电路。目前，研究仍处于探究工作原理和改进控制的阶段。
研究人员实际研制了什么
该器件是一种带有半导体通道的横向约瑟夫森结。约瑟夫森结通过一段短材料连接两个超导电极。量子效应使电流能够穿过这段材料而不伴随电压，即便材料本身不会成为超导体。
在这个器件中，两个铝电极位于半导体结构上，中间是暴露出来的砷化铟通道。通道长约100纳米、宽约5微米，因此宽度约为长度的50倍。
砷化铟构成电流的主要通路。其下方是含铁的锑化镓，记作(Ga,Fe)Sb，可提供磁性影响。铝电极则提供超导影响。通道上方的栅电极让研究人员能够通过电压改变其电学性质。
将其描述为晶体管，体现了栅极的控制作用。更准确地说，《Communications Materials》论文介绍了由Al/InAs/(Ga,Fe)Sb结构制成的横向约瑟夫森结。这种器件将半导体晶体管中常见的电压控制引入了超导结。
相邻层如何共享各自的性质
温度足够低时，铝会变成超导体。在这种状态下，电子会形成电子对，能够在没有电阻的情况下传输电流。相比之下，磁性涉及电子微小磁性（即自旋）的排列。普通超导性与铁磁性往往相互排斥，因此难以结合。
研究人员利用邻近效应，将这两种影响引入砷化铟。邻近效应是指一种材料与另一种材料接触时，会改变相邻材料中电子的行为。铝在通道中诱导出超导行为，而下方的磁性半导体也能影响同一批电子。
磁性层含有14.6%的铁，其居里温度估计约为25开尔文。居里温度是材料失去铁磁有序性的临界温度。在超导测量所用的低得多的温度下，(Ga,Fe)Sb层会变成电绝缘体，因此电流主要通过砷化铟传输。
这种结构让各层各司其职：砷化铟负责导电，铝支持超导传输，含铁半导体则提供磁性影响。它们之间的界面是各层协同工作的关键。
界面洁净为何重要
研究团队采用分子束外延技术生长该结构，这种方法在真空中沉积厚度受控的薄层。所有层都在未接触空气的情况下制备，从而减少材料交界处的污染。
半导体叠层包括一层厚15纳米的砷化铟，位于厚20纳米的磁性层之上。一层厚5纳米的砷化铟镓薄盖层有助于形成与铝的界面。铝薄膜厚26纳米。
半导体层在250摄氏度下生长，以减少铁在磁性材料中的偏析。随后，铝在低于零下40摄氏度的温度下沉积。这样的工序让团队能够在适合各类材料的条件下制备它们。
电子显微镜图像显示，铝与半导体盖层之间的边界洁净且原子级锐利。论文也记录了盖层局部存在无序或缺陷。尽管如此，电学测量显示，该界面能够有效地将超导传输引入半导体。
电压决定无电阻电流的上限
实验测量了结在出现电阻之前能够承载多大的电流，这个上限称为临界电流。低于该值时，超导结可以在不因电阻产生热量的情况下传输电流；超过该值后，结中便会出现电压。
在30毫开尔文（即0.03开尔文）下，未配备栅极的结达到3.00微安的临界电流。随后，研究人员测试了带栅电极的结。栅极电压越负，砷化铟通道中的电子越少，其临界电流也越低。
因此，栅极能够调节通道所能承载的超导电流。论文还报告称，临界电流在正栅极电压下趋于平稳；在测量的电压范围内，栅极漏电流始终低于约10皮安。
研究团队还通过多重安德烈夫反射发现铝与半导体之间存在耦合。这种现象是指电子与空穴激发在超导界面发生反复转换。电学测量中最高出现了六阶反射特征，帮助研究人员评估超导传输穿过界面的难易程度。
这些测量得出的超导能隙为171微电子伏特。能隙是维持超导性的成对电子所对应的能量尺度。反射测量和栅极响应共同揭示了半导体在相邻超导层影响下如何传输电流。
20%的二极管效率意味着什么
研究人员在结的垂直方向施加磁场后，观察到了二极管效应。此时，临界电流取决于电流的流动方向：一个方向上可无电阻传输的电流比反方向更大。
当电流处于这两个上限之间时，结在一个方向上仍保持超导状态，在另一个方向上则出现电阻。低于两个上限时，电流无论流向何方都仍可实现超导传输。因此，这种方向性效应只在特定电流范围内发挥作用。
研究人员通过将较小临界电流的绝对值从较大的临界电流中减去，再将差值除以两者之和，计算二极管效率。其最高值为20%，出现在结的磁干涉图样接近一个极小值的位置。
这一计算方式有助于直观理解结果。效率为20%，意味着较大的临界电流是较小值的1.5倍。举例来说，如果两个上限分别为1.5和1.0（单位相同），那么两者之差0.5除以总和2.5，结果就是20%。这些示例数值仅用于说明计算比例；实验测得的最高值为20%。
效率数值描述的是电流两个方向之间的不对称性。最高值出现在干涉图样的一个极小值附近，此时外加磁场削弱了超导传输。因此，方向性差异最大时，电流承载能力并非最大。
磁场变化历史会影响响应
外部磁场增大或减小时，结的响应也有所不同。超导电流达到最大值时对应的磁场，会随磁场扫描方向而变化。研究人员在多台器件中反复观察到这一现象，其中包括带栅极和不带栅极的结。
这种对先前状态的依赖称为磁滞。磁性材料常常会表现出磁滞，因为其内部磁取向会保留此前外加磁场的一些影响。在这些结中，反复出现的偏移与相邻(Ga,Fe)Sb层对超导传输产生磁性影响的解释相符。
电流随磁场变化呈现一系列峰值和极小值，形成所谓的夫琅禾费干涉图样。这种图样源于超导电流的量子波动特性：随着磁场变化，结不同部分的电流贡献会相互增强或削弱。
测得的图样中，峰值并不均匀，还出现了突发磁通跳变以及相反电流方向之间的差异。在一个峰值附近，振荡周期为0.14毫特斯拉，而几何估算值为1.13毫特斯拉。论文据此推算出有效磁通聚焦系数为8.2。
作者指出，造成磁通聚集的可能因素包括铝电极的响应、下方磁性层产生的磁场，以及磁性或电流分布不均。整体图样支持将该器件作为磁性与超导性耦合系统来研究。
电流流经何处仍在研究中
研究人员还考察了电流是否均匀分布在通道中。他们对干涉图样中没有突发磁通跳变的区域进行了数学分析，发现超导电流有集中在物理边缘附近的趋势。
显微镜图像未显示结在边缘附近有可见的缩短。作者将沿通道边缘传输列为可能导致异常磁响应和方向性行为的因素之一。
各种机制的具体作用仍未厘清。论文讨论了下层的磁性影响、电子运动与自旋之间的相互作用，以及边缘附近可能存在的传输。磁畴、被俘获的磁通以及制造过程中引入的差异，也可能影响干涉图样的部分特征。
对于未来的器件设计，弄清这些因素的相互作用具有实际意义。工程师需要了解哪些材料属性和几何特征能够可靠地决定电流的优先方向、可用电流范围，以及器件对栅极电压的响应。
对未来超导电路有何影响
约瑟夫森结是超导量子电路的核心组件。以半导体取代简单势垒，可以通过电信号调节结；在其附近加入磁性半导体，则提供了另一种影响其行为的方式。
东京大学与纽约大学的这项研究在同一结构中结合了这些特性：栅极控制会改变临界电流，磁效应则会改变电流响应及其方向偏好。这种组合提供了一种材料平台，可用于研究行为更易调节的电路元件。
东京大学将能耗更低的电子设备和更能抵抗错误的量子计算机列为长期目标。目前展示的测量针对的是在极低温下工作的单个结。除了电流无电阻流动这一优势，实际应用仍需要解决冷却问题。
研究人员计划改进磁性层，并进一步研究电压和磁性如何影响超导电流。他们下一步的科研任务是让观察到的效应变得更可预测、更易控制，以支持设计和制造更多样化的量子电路。研究人员没有给出实用量子计算设备的时间表。
要点
- 东京大学和纽约大学研制出横向约瑟夫森结，将铝、砷化铟和含铁磁性半导体结合在一起。
- 通道长约100纳米、宽约5微米，实验在0.03开尔文下进行。
- 不带栅极的结可在无电阻状态下承载最高3.00微安；在带栅极的器件中，负栅极电压会降低临界电流。
- 在垂直磁场作用下，超导二极管效率最高达到20%，出现在干涉图样的一个极小值附近。
- 多台器件中反复出现的磁滞现象与磁性影响超导传输的解释相符。
- 研究结果于2026年11月5日发表。后续研究将探究相关机制并改进控制，以支持未来可能的量子电路应用。
