原标题：我院高温超导研究团队发现液氮温区量子超导二极管
近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“北京量子院”）由朱玉莹、张定和薛其坤组成的高温超导研究团队，与清华大学、南方科技大学和中国科学院物理研究所合作，在超导电子器件研究方面取得重大突破，发现全新原理的超导二极管，其工作温度在液氮温区，整流效率达到100%。2025年11月28日，相关成果以“液氮温区理想效率的量子超导二极管效应”(Quantum superconducting diode effect with perfect efficiency above liquid-nitrogen temperature)为题在线发表于《自然·物理》（Nature Physics），并获《自然·物理》(Nature Physics)所属《研究简述》(Research Briefing)的同步专题报道。
半导体二极管是最常用的一种电子器件。它具备非对称伏安特性曲线并被广泛应用在整流、检波等场景。超导二极管是近年来新兴的低功耗电子学器件，具有类似半导体二极管的非对称伏安特性曲线。然而，常规超导二极管的“0”态和“1”态分别对应着零耗散库珀对传输和有耗散的单电子传输，因此器件在一半状态下仍存在能耗。北京量子院高温超导研究团队充分发挥新型研发机构作用，通过联合共建单位清华大学、中国科学院物理所在高温超导研究中的优势力量，聚焦新型超导量子器件，研发出了“0”态和“1”态都由库珀对导电的全新超导二极管——量子超导二极管。团队将超导二极管的工作温度提升了近10倍，成功达到了液氮温区，且整流效率可达100%、具备量子抗噪特性，为开发新一代实用化超导电子学器件奠定了重要基础。
研究团队基于高质量转角约瑟夫森结[张定、朱玉莹、汪恒、薛其坤，《物理学报》72，237402（2023）]，开发了一种电调制技术，在零磁场、液氮温区原位调控出了超导二极管效应，且整流效率达到30%至40%的高水平。利用这一简便技术所得到的超导二极管工作性能稳定，非对称伏安特性可擦除。这些特点都显著优于已有的超导二极管。后者往往工作在极低的温度并且需要施加一定的外磁场。研究团队还进一步利用微波辐照将二极管的整流效率提升至100%，达到了理想效率。在微波调控下，超导二极管的伏安特性曲线呈现出了非对称分布的量子化电压台阶。利用这一新的非对称特性，研究团队实现了量子超导二极管效应这一新机制。与常规超导二极管不同的是，量子超导二极管不管在“0”态还是“1”态均通过库珀对来传输电流。该器件的量子化特性还显著增强了对输入端噪声以及器件随机噪声的抗干扰能力，可实现高质量的信号转换。研究团队还演示了该器件作为新型逻辑与门的操作性，为开发微波频段无能耗逻辑电路提供了新路径。
值得一提的是，该研究工作也为高温超导机理这一核心科学问题带来了颠覆性的认识。研究团队前期实验结果表明转角约瑟夫森结中存在s波配对，挑战了高温超导是纯d波配对这一主流观点。近年来，包括美国哈佛大学、斯坦福大学等的知名理论研究者提出转角约瑟夫森结在45度角附近由高阶量子隧穿主导，可以导致超导二极管效应。哈佛大学的知名实验研究组近期成果似乎证实了该观点。然而，在最新的研究工作中，北京量子院研究团队证明超导二极管效应的成因并不唯一，利用高质量数据对国际上流行的观点提出了质疑。团队还通过实验和理论模拟对比，发现转角约瑟夫森结中一阶量子隧穿始终占主导，而非高阶隧穿，这进一步印证了研究团队此前的发现，推动了对高温超导配对对称性问题的全面理解。
北京量子院朱玉莹副研究员为文章的共同第一作者与共同通讯作者，南方科技大学博士后汪恒（清华大学物理系2018级博士，现任粤港澳大湾区量子科学中心副研究员）为文章的共同第一作者，共同通讯作者还包括南方科技大学薛其坤教授（北京量子院院长）和清华大学物理系张定副教授（北京量子院兼聘研究员，高温超导研究团队负责人）。文章的合作者还包括清华大学物理系博士生柏中华（2018级，已于2025年9月毕业）、中国科学院物理所吕昭征副研究员、杨鉴刚博士、赵林研究员和周兴江研究员。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目、中国博士后科学基金等项目的支持。