图 铜氧化物高温超导体中的高温零磁场超导二极管效应。a. 超导二极管效应示意图；b. 铜氧化物高温超导体中超导二极管的证据：正负临界电流不对称；c. 超导二极管的整流效应

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12488201）等资助下，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授研究组与波士顿学院汪自强教授、中国人民大学刘易副教授等合作，在铜氧化物超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ（BSCCO）薄片器件中观测到高温零磁场超导二极管效应。该研究成果为无耗散电子电路的开发应用开辟了新路径，并为零磁场超导二极管效应和高温超导体中的对称性破缺提供了新理解。该工作以“铜氧化物高温超导体中的高温零磁场超导二极管效应”（High-temperature field-free superconducting diode effect in high-Tc cuprates）为题，于2025年1月9日在《自然 ∙ 通讯》（Nature Communications）在线发表，文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-55880-4。

　　半导体二极管是现代电子电路的基础元件之一。然而，半导体二极管在使用时不可避免会发热，能耗大幅增加，阻碍了其进一步集成。超导体因具有零电阻的特性，能够在电传输时实现零损耗。如果能在超导体中实现非互易输运，就有望实现同时具备逻辑运算能力与低功耗性能的电路元件——超导二极管。在超导二极管中，当施加电流的幅值处于正负临界电流的中间值时，电流朝一个方向流动，材料表现为超导态；当电流反向时，材料表现为有限电阻态，可实现与半导体二极管相似的半波整流特性。目前，在零磁场下的超导二极管效应往往工作温度较低、样品结构复杂，对于大规模应用和集成不利。寻找高工作温度、构型简单且无需外磁场的超导二极管对于开发低功耗电子电路具有重要意义。

　　研究团队通过室温解理、电子束曝光和低温解理、干式转移两种方法成功制备出铜氧化物高温超导体BSCCO薄片器件，并开展了系统的电输运测量实验。研究发现，在零磁场下，BSCCO器件超导态的正负临界电流不对称，具有典型的超导二极管特征。当施加幅值在正负临界电流之间的方波电流时，BSCCO器件出现高稳定性的半波整流效应，进一步确认了超导二极管效应的存在。同时，该效应在53 K时达到最大效率22%，并保持到72K。此外，BSCCO 器件的正负临界电流和效率均呈现出关于零磁场对称的结构，且效率在零磁场时最大，这与外加磁场诱导的超导二极管效应的磁场响应截然不同。当器件翻转180度后，该效应的极性保持一致，排除了外部剩磁的影响。研究团队用同样的测量设备与测量步骤在Nb薄膜器件中的对照实验也进一步证实了BSCCO器件中超导二极管效应的零磁场特性。

　　超导二极管效应的出现需要空间反演对称性和时间反演对称性同时破缺。因此，本工作不仅为零场下高温超导二极管在低耗散电子器件中的潜在应用奠定了科学基础，而且能够激发更多的关于铜基超导体中是否存在本征的时间和空间反演对称性破缺的相关理论和实验研究。