北京时间2024年5月15日，西湖大学林效团队与西湖大学吴从军团队、北京理工大学王秩伟团队合作，在《自然》上在线发表了题为“Superconducting diode effect and interference patterns in Kagome CsV3Sb5”的科研论文。该研究首次报道了单一超导器件、CsV3Sb5材料（铯钒锑，以下缩略为CVS）中存在的零磁场超导二极管效应和磁通量子化形成的超导干涉图案，揭示了CVS材料存在时间反演对称性破缺、超导畴，以及可能的环路超流。

　　在满足特定温度、磁场的情况下（即低于超导转变温度TC及低于临界磁场强度HC），电流可以“无阻力”地流动。这种“好用”的电流叫做超导电流，可以被用于高效率的电力传输、高灵敏的传感及快速的逻辑器件。超导电流一般都是对称、可逆的；简单理解，想象它是一条河流，可以顺着流，也可以逆着流。那么，超导电流有可能被人类灵活操纵吗，比如只朝着一个方向流动？这是超导领域中的一大挑战。科学家们从生活里广泛存在的一类元件身上找到了灵感——广泛存在于手机、电脑、电视等电子设备中的元件：二极管。当二极管两端被施加正向电压时，可以有电流通过，而如果施加反向电压，电流将会被二极管阻挡在外；也就是说，二极管中存在的是单向的电流。

　　研究团队首次在零磁场环境中观察到CVS自身产生了超导二极管效应。为了严谨排除测量系统剩余磁场及地球磁场对CVS材料的影响，将低温系统中的超导磁体升到室温后重新降温；安装超导屏蔽罩，即在测量杆上包裹一圈泛着光泽的灰色铌金属（铌也是一种超导体）制成的罩子，尽可能彻底屏蔽外部磁场；用高精度磁通门磁强计伸到圆柱形低温装置内部测量剩余磁场，并通过“大磁铁”施加补偿磁场用来抵消剩余磁场。通过这一系列的复杂方法，他们将系统剩余磁场由16054nT降至4nT（nT，即纳特斯拉），确认了实验观测到的零磁场超导二极管效应的真实性，从一定程度证明了CVS在超导态的时间反演对称性破缺。

　　在验证完零磁场超导二极管之后，研究团队注意到当时的测量数据噪声有点大得不太寻常——就像在听收音机或者打电话时，突然有一些干扰，导致出现“嘶嘶嘶”的噪声。本着精益求精的想法，他们对测量系统周围所有的仪器进行了检测，最终确认了噪声来源于实验中驱动“大磁铁”产生磁场的磁体电源。于是，他们改用实验室其它更高精度的电流源进行替换，随后，他们如先前一样“听到”了超导二极管的美妙乐章，但更令人惊奇的是，他们竟然意外观看到了一场曼妙舞蹈——超导临界电流随磁场变化的周期性振荡图案！

CVS超导量子器件中的超导干涉图案

　　团队推测零磁场的超导二极管效应和超导干涉图案很有可能与超导畴的不均匀分布有关。他们采取了另外一个简单而又巧妙的方法——热循环调控。通过对CVS器件反复升降温测量，林效团队发现零磁场超导二极管的极性以及超导干涉图案会发生改变，从而充分证实了超导畴的设想。与此同时，在初步获得超导二极管实验证据后，林效团队立即与西湖大学理论物理讲席教授吴从军团队达成合作，吴从军团队开始构建CVS中涉及超导二极管的理论模型。在超导二极管方向，吴从军正是早期的理论探索者之一。吴从军团队基于已有的实验结果迅速构建了超导畴中形成超导环路的理论模型，给出的理论计算与实验结果定性上符合，初步提供了理论的图像。

CVS超导畴和环路超流模型

　　西湖大学理学院博士后乐天和博士后潘志明为本论文的共同第一作者；西湖大学理学院特聘研究员林效、理论物理讲席教授吴从军，北京理工大学物理学院特别研究员王秩伟为本论文的共同通讯作者。这项研究成果主要在西湖大学林效实验室和西湖大学物质科学公共实验平台完成，物质科学公共实验平台提供了极大的帮助。相关研究得到了浙江省自然科学基金杰出青年项目、自然科学基金面上项目、新基石基金的资助，中国博士后科学基金面上资助和特别资助，以及西湖大学未来产业研究中心专项计划的支持。

　　原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07431-y