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来源：科学百晓生收集编辑：LHSRYY
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05743-z电子器件中的电流流动可能与偏置方向不对称，这是二极管使用的一种现象，被称为非互易电荷传输。无耗散电子学的前景最近激发了对超导二极管的探索，在各种非中心对称系统中实现了非互易的超导器件。1.本工作通过在扫描隧道显微镜中创建原子尺度的Pb-Pb约瑟夫森结来研究小型化的极限。由单个Pb原子稳定的约瑟夫森结表现出迟滞行为，证实了结的高质量，但偏压方向之间没有不对称性。2.当在结中插入单个磁性原子时，会出现非互易的超电流，其方向取决于原子种类。借助理论建模，本工作通过超导能隙内电子-空穴非对称Yu–Shiba–Rusinov态来追踪准粒子流的非互易性，并确定了约瑟夫森结中二极管行为的新机制。3.本工作的结果为创建原子尺度的约瑟夫森二极管以及通过单原子操纵来调节其性质开辟了新的途径。▲图1. 单原子约瑟夫森结包括Pb、Mn和Cr原子1、图1a是本工作的实验装置示意图。约瑟夫森结是由STM的超导Pb尖端与表面沉积有单个Pb、Cr和Mn原子的原子清洁超导Pb(111)晶体之间形成的。2、通过针尖朝向这些原子，本工作可以研究单个原子对原本相同的约瑟夫森结的影响。为了建立这些原子尺度的约瑟夫森结，本工作将STM针尖在超导间隙外的偏置电压下推进到表面，直到达到50 μS的正常态结电导，但小于电导量子。然后本工作引入一个大电阻(1 MΩ)与结串联，这样本工作就有效地控制了结的电流偏置。3、本工作首先关注由单个Pb原子稳定的结(图1b)。当减小来自大的正电流的偏置电流时，本工作观察到在再捕获电流(Ire≈1.2 nA)处跨结压降的急剧减小。这标志着由准粒子隧穿(耗散分支)主导的电阻行为向库柏对隧穿主导的近无耗散低电压状态的转变。反转电流的扫描方向，V-I行为表现出明显的迟滞，但对于纯Pb-Pb结，开关和再捕获电流的大小与偏压方向无关(图1b)。1、接下来，本工作在一定的结电导(图2a、b)范围内直接比较两个偏置方向的开关和再捕获电流。考虑到开关和再捕获过程的统计性质，每个数据点平均开关或再捕获电流超过100个电流扫描。2、本工作通过低压区V-I曲线的(逆)斜率来量化结电导，本工作称之为相扩散电导GPD。本工作发现再捕获电流不仅依赖于偏置方向，而且依赖于特定类型的磁性原子。3、对于Cr原子，再捕获电流在正偏压(Ire,+)下的量级远大于负偏压(Ire,-)。对于Mn原子，情况刚好相反。图2c进一步说明了这一点，它显示了再捕获电流中的不对称性ΔIre=|Ire,+|-|Ire,-|是GPD的函数。此外，开关电流的不对称性要弱得多。1、准粒子电流的不对称性在具有相同结的超导尖端的电压偏置测量中可以直接获得。图3a，b为Cr和Mn原子在小结电导(0.125 μS)处的隧穿谱，显示了微分电导dI/dV (因而电流)的强亚间隙共振。2、本工作观察到这种不对称性对于Mn的最深(α)YSR态尤为明显。相比之下，Cr的YSR态强度的不对称性较弱，但仍能得到很好的解决。值得注意的是，稳定在Pb原子上的结对应的dI/dV曲线不存在不对称性。3、这些结果表明与YSR共振相关的不对称子能隙电导是观察到的非对称性行为的一个自然来源。然而，图3a，b中的光谱是在弱隧穿区拍摄的，其中YSR共振得到了很好的分辨，因此在更强的隧穿下与约瑟夫森结区不直接相关。图3c，d显示了对应于约瑟夫森结区的结电导的dI/dV谱。1、图4显示了具有代表性的V-I迹线，它们对Pb是对称的，但对Cr和Mn是不对称的再捕获电流。不对称性清楚地再现了实验(比较图1b-d)中发现的符号。与实验一致，本工作的模拟也再现了开关电流的弱不对称性。2、最后，本工作对源于准粒子阻尼的非互易性的对称性条件进行了评述。反演对称性被附着在其中一个电极上的单原子结明显打破。同时，结是时间反演对称的，因为在没有外磁场的情况下，磁性分子的自旋保持非极化。相反，YSR共振的不对称权重和非互易性是粒子-空穴对称性破缺的结果。3、通过将原子尺度的约瑟夫森结与单原子操纵相结合，打开了相当多的机会。这种不对称性预计会敏感地依赖于磁性原子的吸附位点，并且可以通过自下而上的原子组装来操纵。因此，本工作的结果为设计具有较大功能灵活性的约瑟夫森二极管铺平了道路。https://www.nature.com/articles/s41586-023-05743-z