京都大学と大阪大学の共同研究グループは、一方向にのみ電気抵抗がゼロとなる超伝導ダイオード効果を世界で初めて観測した。
ダイオードとは、順方向に電流をよく流す一方で逆方向にはほとんど流さない特性を持つ素子をいう。中でも半導体ダイオードは、整流器・混合器・光検出器など数多くの電子部品に利用されている。
しかし、半導体の電気抵抗はゼロではないため、各部品におけるエネルギー損失が問題となる。そこで、半導体ではなく、電気抵抗ゼロの超伝導体にダイオードの特性を付与すること、すなわちある特定の方向においてのみ抵抗がゼロとなるような超伝導ダイオードの実現が望まれてきた。
本研究では、ニオブ（Nb）層、バナジウム（V）層、タンタル（Ta）層からなる非対称構造を有した超伝導人口格子において、外部磁場および電流の方向によって超伝導－常伝導スイッチングができることを発見した。これは、Nb/V/Ta人口格子が超伝導ダイオードとして機能することを意味しており、初めての超伝導ダイオード効果の実証となる。
物質中に空間反転対称性の破れが存在するとき、電流の非線形応答によって非相反電荷輸送が生じる。ダイオード素子として電子回路を構成する様々な部品にこの非相反電荷輸送現象が応用されているが、これまで超伝導物質における報告例はほとんどなかった。Nb/V/Ta人口格子は、薄膜積層方向に空間反転対称性が破れているために、非相反性を持つと考えられるとしている。
本研究で観測された超伝導ダイオード効果は、エネルギー非散逸かつ方向制御可能な電荷輸送技術の確立に向けて大きく貢献するとみられ、今後、エネルギー損失の極めて小さい電子回路の実現が期待される。
