日本京都大學化學研究所的小野輝男教授和安藤冬希博士生（當時）等人組成的研究團隊，與該校理學研究科的柳瀨陽一教授，以及大阪大學理學研究科的荒川智紀助教等人合作，首次在具有非對稱結構的超導人工晶格中，觀測到了僅在一個方向上電阻為零的超導二極管效應。二極管是一種能在正向順利導通電流，而反向幾乎無法導通電流的元件，整流器、混合器和光檢測器等很多電子部件都用到了半導體二極管。不過，由于半導體具有一定的電阻，而不是徹底的零電阻，所以無法避免各部件的能量損失問題。因此，如何使電阻為零的超導體而非半導體具備二極管的特性、即如何實現(xiàn)超導二極管成了一個重要研究方向。
學此次研究發(fā)現(xiàn)，在由鈦（Nb）層、釩（V）層和鉭（Ta）層構成的非對稱結構超導人工晶格中，臨界電流的大小取決于電流方向，并驗證了超導二極管效應。該成果有助于實現(xiàn)能量損失極小的電子電路。作為空間反演對稱性破缺的超導體，此次研究利用濺射法形成了由Nb、V和Ta構成的人工晶格。研究團隊將該薄膜樣本加工成細線形狀，并像圖 1（a）那樣，以采用電流源和電壓計的實驗配置測量了4個端子的電阻。在薄膜面內與電流正交的方向施加外部磁場，調查了電阻對直流電流的依賴性，結果如圖1（b）所示。調查發(fā)現(xiàn)，Nb/V/Ta人工晶格的臨界電流因施加電流的方向而異。另外，正向（實線）和反向（虛線）臨界電流的大小關系由外部磁場的符號決定。
a）采用Nb/V/Ta人工晶格的樣本的光學顯微鏡圖像與測量4端子電阻的實驗配置。空間反演對稱性破缺的是薄膜積層方向，與施加的電流及外部磁場分別正交。（b）在4.2K的溫度下測量的電阻的直流電流依賴性。在某個閾值電流（臨界電流）下，超導被破壞，產生有限的電阻，但正向（實線）和反向（虛線）的臨界電流不同。正向與反向的臨界電流的大小關系由外部磁場符號決定。接下來，研究團隊利用這種非相反的臨界電流證明，可以根據(jù)電流方向和磁場方向在超導與常導之間切換（圖 2）。這意味著，Nb/V/Ta人工晶格能作為超導二極管工作。可以在相對比較小的0.02T（特斯拉）磁場下切換二極管的方向。
根據(jù)電流方向和磁場方向在超導與常導之間切換的示例（4.2K）。從直流電阻的溫度依賴性可以看出，Nb/V/Ta的轉變溫度為4.4K，常導電阻為3.8Ω。研究證明，可以通過在外部磁場為0.02T、電流值為6.6mA的情況下分別反轉符號，在超導狀態(tài)與常導狀態(tài)之間切換。
