近日，复旦大学物理学系修发贤课题组与合作者基于反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄ 构建出高质量的近邻约瑟夫森结器件，实现了不对称边缘超导电流与零场可调约瑟夫森二极管效应。2025年5月14日，相关成果以《基于拓扑反铁磁体 MnBi₂Te₄的约瑟夫森结中边缘超导电流的观测》（Observation of Edge Supercurrent in Topological Antiferromagnet MnBi₂Te₄-based Josephson Junctions）为题在线发表于期刊《科学·进展》（Science Advances 11, eads8730 (2025)）。该项工作由复旦大学物理学系修发贤课题组、香港科技大学罗锦团教授课题组、中科院上海硅酸盐研究所董绍明院士、杨金山研究员团队、加州大学洛杉矶分校倪霓教授课题组、上海科技大学寇煦丰教授课题组、昆士兰大学邹进教授课题组合作完成。

随着拓扑、磁性与超导领域的快速发展，拓扑性、磁性和超导性三者的耦合所带来的新奇量子现象逐渐成为凝聚态物理研究的前沿热点之一。在这类体系中，约瑟夫森结结构作为两个超导体之间通过非超导材料耦合的关键平台，不仅可展现直流、交流约瑟夫森效应等相干输运行为，还可能出现马约拉纳零能模、4π周期超导效应、超导二极管效应等关联输运现象，为发展新型低功耗量子器件与拓扑量子计算平台提供了可能。

MnBi₂Te₄是一种近年来被广泛研究的反铁磁拓扑绝缘体，兼具范德瓦尔斯层状结构与拓扑非平庸能带，在奇偶层中展现出多种量子拓扑相态（如量子反常霍尔效应、轴子绝缘态等），被认为是构建“超导-磁性-拓扑”三重耦合器件的理想材料。尽管理论预言MnBi₂Te₄中的约瑟夫森结构可以支持拓扑边缘超电流乃至马约拉纳模，但长期以来受限于材料稳定性、器件制备与界面调控等技术难题，相关实验研究尚处于探索阶段。因此，在该体系中实现高质量的约瑟夫森结，并进一步观测到边缘主导的超导输运现象与功能性器件行为，具有重要的理论价值与应用前景。

研究团队基于高质量的 MnBi₂Te₄单晶材料，构建了 Nb/MnBi₂Te₄/Nb 的近邻效应约瑟夫森结器件。实验发现，当MnBi₂Te₄厚度约为 110 nm 时，器件在低温下展现出周期异常增大的 Fraunhofer 干涉图样，表明超导电流在结区具备强耦合行为。进一步将厚度减薄至 55 nm 后，器件的电流-磁场关系呈现出类似 SQUID（超导量子干涉器件）的干涉图样，结区磁阻也表现出相应的周期性震荡。值得注意的是，正负电流方向下的临界电流大小及其对磁场的响应并不对称，揭示了由拓扑边缘态主导的高度不对称超导输运行为。

为探究这一非对称超电流的来源，研究团队结合傅里叶变换技术，对干涉图样进行反演分析，发现超电流主要分布于器件两侧边缘，且具有显著的不对称性。理论计算表明，这种现象源自 MnBi₂Te₄两侧边缘在晶格结构与散射环境上的差异，导致其拓扑边缘态具备不同的有效费米速度，从而打破反演对称性，引入了非对称边缘通道。这种不对称性，使得 MnBi₂Te₄约瑟夫森结具备了超导电流的整流能力，为后续实现非互易输运功能器件奠定了物理基础。

图1  a，左图，MnBi₂Te₄中有能隙的顶部与底部表面态与无能隙侧表面态示意图。右上图，不对称的 SQUID 器件示意图。右下图，基于MnBi₂Te₄的约瑟夫森结的两个不对称边缘（有效费米速度不相等）示意图。该器件等价于不对称 SQUID。b，在 MnBi₂Te₄约瑟夫森结中观测到的不对称 SQUID 图样。c，傅里叶变换提取得到的超电流密度分布图，显示器件的超导电流主要集中在两个边缘，且两侧边缘电流密度明显不对称。d，理论计算得到的 MnBi₂Te₄ 薄层 (010) 面上的表面态在器件两侧边缘上表现出不对称的费米速度。红色与绿色实线穿过费米能级的位置不同，表明这两个边缘态的费米速度不同。e，MnBi₂Te₄约瑟夫森结在施加直流电流偏置条件下的结区磁阻，呈现出周期性震荡。f，通过面外磁场训练实现的极性可调的约瑟夫森二极管效应。

基于该机制，研究团队进一步构建了厚度约 70 nm、沟道长度为 90 nm 的 MnBi₂Te₄约瑟夫森结器件，并系统研究其约瑟夫森二极管效应。实验发现，该器件在经由垂直磁场“训练”后，即可在撤除磁场的零场条件下实现超导电流的单向流动，展现出“写入后保持”的非易失性整流特性。该现象表明，器件在外磁场撤去后仍保留自发磁化方向，在时间反演对称性破缺与边缘耦合不对称性的共同作用下，形成稳态的单向超导输运行为。在 250 mK 条件下，器件的零场整流效率可达 23%；即使在 3.5 K 条件下，仍能维持显著的整流特性，展现出独特的低温器件性能与应用潜力。

该工作首次在反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄材料中实现了约瑟夫森器件构建与功能化展示，为探索拓扑超导、非互易输运、马约拉纳模等量子现象提供了全新实验平台。研究团队指出，这类基于边缘态的超导整流器件有望在未来用于发展低功耗超导逻辑器件、非对称量子电路以及可控拓扑量子比特等方向。

该项研究工作得到了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、基金委青年基金A、原创探索计划项目和上海市基础研究特区计划项目的大力支持与资助。论文的第一单位为复旦大学物理学系，复旦大学物理学系修发贤教授、香港科技大学罗锦团教授为通讯作者。修发贤课题组博士后张恩泽（现新加坡国立大学Research Fellow）、博士生贾泽浩、香港科技大学罗锦团课题组博士生孙子庭、中科院上海硅酸盐研究所杨金山研究员为共同第一作者。

修发贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在拓扑狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方向主要研究其电学、磁学和光电特性。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads8730