最近，中国科学院上海微系统与信息技术研究所超导电子学实验室陈垒研究员、王镇研究员的研究团队研制了一种新型的超导三端子器件，成功实现了超导3D纳米桥结约瑟夫森临界电流的门电压调控，为超导器件与电路发展提供了一种新的开关控制单元。相关成果以题为“Gate-Tunable Critical Current of the Three-Dimensional Niobium Nanobridge Josephson Junction”的学术论文发表在Nano Letters期刊上(Nano Lett. vol.23, pp8043-8049, 2023.)
超导电路相比于半导体电路具有速度快和能耗低的优势。然而,由于超导约瑟夫森结仅是一个类似于半导体的二极管器件，这在一定程度上限制了超导器件与电路的功能与应用场景。因此，具有类似于半导体场效应管效应的超导三端子器件是超导电子学领域长期关注的重要研究课题。理论上常规超导体中的载流子浓度非常高，外加电场无法直接调控超导体的临界电流。研究团队通过实验发现，对于尺寸很小的超导3D纳米桥结，其临界电流能够被一个门电压有效调控，而且在调控过程中3D纳米桥结仍然保持良好的约瑟夫森效应。这种类似于半导体场效应管的超导三端子器件为超导约瑟夫森器件和电路发展提供了一种新的思路。
上海微系统所博士研究生郁淑婕为该工作的第一作者，陈垒研究员和王镇研究员为通讯作者。上述研究工作获得中国科学院先导专项、中国科学院青促会优秀会员、国家自然基金仪器研发项目和面上项目等支持。
论文原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02015
图1：超导三端子器件结构图和门电压调控超导约瑟夫森效应
图2：门电压调控3D纳米桥结和nano-SQUID器件照片，以及临界电流在不同门电压作用下的电流-电压曲线
图3：门电压调控3D纳米桥结临界电流曲线随着温度变化的关系
