近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）半导体量子计算团队基于高品质半导体砷化铟（InAs）纳米片和超导铝电极构造了平面约瑟夫森结器件，在该结构中观测到可通过栅电压调控的约瑟夫森二极管效应（Josephson Diode Effect）或超导二极管效应（Superconducting Diode Effect），揭示了观察到的效应起源于Rashba自旋轨道耦合与塞曼效应共同作用诱导产生的有限动量配对机制。2025年5月2日，相关成果以“Gate Tunable Josephson Diode Effect in Josephson Junctions Made from InAs Nanosheets”为题，在线发表在《Advanced Functional Materials》上。

随着超导电子学的发展以及对新型量子态的持续探索，约瑟夫森二极管效应因其在超导电路和拓扑量子器件中的潜在应用前景，逐渐成为研究热点。近年来，该效应已在包括拓扑半金属、拓扑绝缘体和铁磁金属等多种体系中被观测到。III-V族半导体材料（如 InAs 和 InSb），具有强自旋轨道耦合（SOI），在超导近邻耦合和外加磁场条件下，能够同时打破空间反演对称性和时间反演对称性，从而实现约瑟夫森二极管效应。与其他材料相比，InAs、InSb的半导体特性使得其约瑟夫森二极管效应具有更优越的调控性。同时，自旋轨道耦合、近邻超导、塞曼效应这些机制也是构建拓扑超导体的核心要素。因此，本项研究不仅为实现可控约瑟夫森二极管效应提供了实验平台，也为进一步探索与拓扑超导相关的量子现象创造了条件。

基于高质量 InAs 纳米片与铝超导电极，研究团队构建了平面约瑟夫森结器件（图a），实现了“本征”约瑟夫森二极管效应。“本征”是指该效应并非源于器件几何结构或磁通钉扎等外在因素，而是由有限动量配对机制所致。这一结论得到以下实验结果的支持。（1）磁场方向依赖性(图b)：当器件中面内磁场方向垂直于偏置电流时，二极管效应最为显著；而在二者平行时，该效应几乎完全消失。这一各向异性特征与有限动量配对的理论预期一致。（2）磁场强度依赖性(图c)：该二极管效应强度随磁场增强的演化趋势也与该机制相符。（3）电场调控特性（图d）：该二极管效应的强度随背栅电压降低而逐渐减弱，并在特定电压下完全消失。结合该团队此前在 InAs 纳米片中通过电场调控Rashba自旋轨道耦合的研究成果，研究人员认为器件表现的约瑟夫森二极管效应起源于Rashba自旋轨道耦合与塞曼效应共同作用下诱导的有限动量配对机制。该研究不仅为理解非互易超导输运提供了实验依据，也为实现栅控拓扑超导器件和探索新型量子态奠定了基础。

该研究工作第一作者为量子院助理研究员颜世莉。共同通讯作者为量子院首席科学家徐洪起教授、副研究员王积银和中国科学院半导体所潘东研究员。其他重要合作者还包括北京大学博士毕业生罗毅、苏海天，量子院博士后高涵、助理研究员吴幸军，中国科学院半导体所赵建华研究员。该工作获得国家自然科学基金委项目的支持。