在现代电子学中，二极管扮演着“单向电子阀门”的角色，它只允许电流单向通过，是构建整流器、逻辑门及探测器的核心微纳元件。然而，随着全球数据中心的激增和计算需求的快速增长，传统半导体芯片在传输电流时不可避免地会发热、耗能，遭遇了物理瓶颈。有没有一种器件，既能像阀门一样控制电流单向通行，又能实现零电阻、零能耗的超导输运？

近日，南京大学超导电子学研究所（RISE）王华兵教授、王永磊教授、吕阳阳助理教授、物理学院王达副教授等组成的研究团队巧妙利用铜氧化物高温超导材料中天然存在的“本征约瑟夫森结”（IJJs），成功研发出迄今工作温度最高（达86K，约为零下187摄氏度，显著高于液氮在常压下的沸点温度77K）、具备可编程零磁场记忆效应、且可实现数百个器件规模化集成的高温超导二极管阵列。

这一突破不仅为超低功耗超导量子计算和绿色超级计算机的逻辑电路设计提供了新思路，更体现了该团队在超导电子学领域二十余年的深厚积累。

二十年磨一剑：由点及面的系统性“技术链条”

这项重要成果，并非一蹴而就，而是研究团队在超导电子学领域二十余年持续研究、水到渠成的成果。

回顾团队的发展历程，他们利用铋锶钙铜氧（Bi2Sr2CaCu2O8+δ，简称BSCCO）高温超导晶体，构建了一条“从核心制样工艺->物理机制探索->器件性能调控->阵列规模化系统应用”的闭环完整技术链条。

图1：南京大学超导电子学团队20余年深耕的高温超导本征结“科技树”。从2001年发明双面结核心技术，到持续领跑固态太赫兹辐射源，再到近期超导二极管系列成果的涌现，团队积累了从基础到应用的完整技术链条。

突破瓶颈：让超导二极管走向“规模化”与“高温化”

超导二极管效应（Superconducting Diode Effect）是近年凝聚态物理和量子电子学领域备受关注的前沿方向之一。然而，国际上绝大多数团队研发的超导二极管都面临两大痛点：一是工作温度极低，通常依赖于昂贵且稀缺的液氦环境；二是加工制备困难、不易规模化，许多高温超导二极管依赖手动解理并精确角度堆叠的二维微纳晶片（扭角电子学），较难在芯片上进行大规模标准化加工。

南京大学团队将目光投向了深耕了二十余年的核心体系——铋锶钙铜氧高温超导晶体。这种晶体在原子结构上就像一块天然的“千层饼”：高导电性的铜氧（CuO2）超导层与绝缘层交替堆叠，自发形成所谓的“本征约瑟夫森结”。

为了实现二极管的单向导电，必须同时打破空间反演对称性和时间反演对称性。研究团队通过微纳光刻技术，将晶体堆栈雕刻成一个具有23度倾斜角的“楔形（斜坡）”几何结构。

图2：天然“千层饼”与人工“斜坡”的有效结合。(a)BSCCO超导晶体天然形成的本征约瑟夫森结（IJJs）结构。(b)南京大学团队通过精密微纳加工雕刻出的23度倾斜角“楔形”结构。这一不对称设计有效打破了空间反演对称性，成为电流单向通行的关键。

当团队施加一个平行于超导电流流向的微弱外磁场时（打破时间反演对称性），观察到了显著的超导二极管现象：在80K的液氮环境下，正向施加电流时，器件处于完全无电阻的“超导通路”状态；而反向施加同样大的电流时，器件却瞬间转变为有电阻的普通导体状态。其工作温度最高延伸至86K，显著提升了超导二极管的工作温度上限！

图3：液氮温区下的超导“单向放行”电学特征。(a, b)实验证实，在80K下，正向与反向施加电流展现出明显的不对称性。(c)温度依赖性测试表明，这种超导二极管效应在高达86K的高温下依然保持稳定。

微观机制：结的层数越少，整流效率越高

除了做出了高性能的器件，团队还通过Lawrence-Doniach 理论模型，阐释了本征约瑟夫森二极管的微观物理机制。他们发现，斜坡几何结构会导致晶体内部正反向的超导电流分布发生非对称畸变。这种畸变在原子级厚度的本征约瑟夫结中被急剧放大，使得电流-相位关系产生了强烈的“非谐振性（Anharmonicity）”，而这正是二极管效应的内在机制。

理论模型推导出一个关键物理规律：超导二极管的整流效率随着晶体中约瑟夫森结的堆叠层数减少而单调递增。层数越少，非谐振性越强，二极管效应越显著。

为了验证这一理论，团队凭借其独特的微纳制样技术，成功实现了极具挑战性的“表面本征约瑟夫森结（Surface IJJ）”单结制备技术，将器件直接做到了“单结极限”。实验结果令人振奋：单结器件的二极管整流效率大幅提升至40%！

图4：“单结极限”带来的高整流效率。 (a) 表面本征约瑟夫森结器件结构示意图。(b)通过将器件做到仅有一层结构的极限，单结二极管的整流效率显著提高到40%。

延伸发现：可编程的“零磁场”记忆芯片与规模化集成

在实际应用中，如果超导二极管总需要外接磁场才能工作，会显著增加系统体积、功耗与集成复杂度。而该团队的单结二极管带来了一个具有产业应用潜力的发现——“零磁场”下的可编程非易失性记忆效应。

研究人员发现，当给器件施加一个稍大的初始脉冲磁场进行“初始化”后，即使彻底撤除外磁场，晶体内部俘获的磁通涡旋依然会维持对称性破缺。这意味着，在完全没有外磁场的情况下，超导二极管依然能稳定整流，且整流的极性完全可以通过之前的磁场进行“写入”和“擦除”编程！这一特性能直接用于开发超导非易失性存储器。

图5：可任意编程的“零磁场超导二极管”记忆效应。(a)当外磁场撤除后，二极管展现出独特的磁滞记忆特征。(b)只需改变初始化磁场的方向，就能像写入计算机数据一样，在零磁场下自由切换二极管的导通极性，并稳定实现零外场条件下的交流电整流输出。

更值得关注的是其规模化集成能力：基于本征结天然生长、整齐排列的晶格优势，团队在一块芯片上成功加工出了包含201个串联表面本征超导二极管的阵列。测试表明，这201个超导二极管展现出了高度一致、可靠的零磁场可编程整流行为。

图6：规模化集成的高温超导二极管阵列。电子显微镜下形如“高速公路网”的伪彩色蛇形阵列。团队成功在单一芯片上批量制造并集成了201个串联超导二极管，标志着高温超导二极管从“实验室孤立器件”迈向“可实用规模化集成”的可能性。

这次在《国家科学评论》发表的高温超导二极管成果，有效结合了高温运行（>77 K液氮温度）与微纳规模化制备这两大产业界最关心的核心要素，为下一代高性能计算、量子逻辑电路以及超导芯片整流电路的实用化，提供了可能的可靠技术路径。

该成果以为“Scalable high-temperature superconducting diodes enabled by intrinsic Josephson junctions”题发表在国际知名综合性学术期刊《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。该工作由南京大学超导电子学研究所牵头，联合紫金山实验室、比利时安特卫普大学等单位共同完成。论文共同第一作者为南京大学电子学院魏子涵博士(实验工作完成于其读博期间，现为紫金山实验室博士后)、物理学院乔友凯博士，共同通讯作者为南京大学电子学院吕阳阳助理教授、物理学院王达副教授、电子学院王永磊教授和王华兵教授。