近日，北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所廖志敏教授課題組與深圳國際量子研究院俞大鵬院士團隊合作，首次在約瑟夫森二極管中發現量子化射頻整流效應，為量子器件工具箱增添了重要新成員。2026年1月30日，該項研究成果以《籠目超導體約瑟夫森二極管中的量子射頻整流》（“Quantized radio-frequency rectification in a kagome superconductor Josephson diode”）為題，在線發表于《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）雜志上。

約瑟夫森結是研究宏觀量子效應與量子相干行為的關鍵物理平臺。2025年諾貝爾物理學獎授予John Clarke、Michel Devoret和John Martinis三位科學家，以表彰他們在約瑟夫森結宏觀量子隧穿效應與能級量子化機制方面的開創性貢獻，充分體現了該體系在基礎物理與量子技術發展中的重要地位。在約瑟夫森效應被提出60余年后，人們發現了約瑟夫森二極管效應：其特征是在正、反向偏置下呈現不同的臨界電流（Ic+≠Ic-），從而在一定電流窗口內實現超導電流的單向傳輸。

目前研究主要聚焦約瑟夫森二極管的直流特性，其交流約瑟夫森效應，尤其在射頻驅動下是否存在類似Shapiro臺階的量子化行為，仍有待揭示。實驗上，實現零磁場下的約瑟夫森二極管極具挑戰性，需要同時滿足高質量的超導異質界面、空間反演對稱性破缺以及時間反演對稱性破缺等條件，這在實際材料體系中難以兼顧。如何突破材料體系與器件結構的限制，揭示射頻條件下約瑟夫森二極管的動態響應行為，是重要的前沿課題。

針對上述瓶頸，研究團隊創新性地利用籠目超導體CsV₃Sb₅構筑約瑟夫森二極管，并探究其在射頻條件下的量子整流效應。早期研究顯示，CsV₃Sb₅內部存在多種相互交織的電子態（包括電荷密度波、超導態和電子向列相等），伴隨著自發的對稱性破缺，同時存在超導疇結構，可自發形成高界面穿透度的約瑟夫森結。這些特點有助于深入探究零磁場約瑟夫森二極管中的交流約瑟夫森效應。

研究團隊將機械剝離獲得的CsV₃Sb₅納米片與金電極接觸制備器件。實驗發現CsV₃Sb₅內部自發形成了約瑟夫森結，并在零磁場下表現出非互易的超導電流輸運，即約瑟夫森二極管效應。在無直流偏置的條件下，僅通過微波輻照即可產生量子化的直流電壓V_dc，其數值為hf/2e的整數倍，實現了量子化的射頻整流。這種只需給約瑟夫森二極管照射微波，就能在沒有外加直流電流的情況下產生量子化的直流電壓的現象可由成熟的約瑟夫森理論清晰解釋。其本質在于器件對正、反向電流的響應不對稱，使相位粒子在交流驅動下沿“傾斜的搓衣板勢”產生單向累積滑移，從而將交流信號轉化為量子化的直流輸出。

該工作不僅揭示了CsV₃Sb₅的本征約瑟夫森二極管效應，也為其作為低溫無線電源和自供電電壓標準提供了潛在平臺。這種射頻調制的本征約瑟夫森二極管有望在非耗散超導電路、低溫量子器件的無線充電、高精度測量、以及電壓標準等領域發揮重要作用。

（a）基于CsV₃Sb₅約瑟夫森二極管的無線整流器；（b）零磁場、零直流偏置下的量子化整流效應

北京大學2022級博士生婁晗歆、深圳國際量子研究院副研究員陳靜靜與助理研究員葉興國是文章的共同第一作者。廖志敏、王安琦以及譚振兵是文章的共同通訊作者。俞大鵬對該研究工作給予了重要支持。合作者還包括中國科學院半導體研究所魏鐘鳴研究員、荷蘭屯特大學李川教授以及北京大學電子顯微鏡實驗室馬秀梅高級工程師。該工作得到了國家自然科學基金、“量子通信與量子計算機”國家科技重大專項等項目的資助，并獲得了北京大學人工微結構和介觀物理全國重點實驗室及電子顯微鏡實驗室的大力支持。