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研究超导体中漩涡的超高速运动

更新时间:2020-07-13 20:37点击:

一个来自奥地利、德国和乌克兰的国际科学家小组发现了一种新的超导系统,在这种超导系统中,磁通量量子可以以每秒10到15公里的速度运动。这为非平衡集体系统的丰富物理研究打开了大门,并使直接写入的Nb-C超导体成为单光子探测器的候选材料。研究结果发表在《自然通讯》上。

摘要超导是许多材料在低温下发生的一种物理现象,它通过电阻的消失和材料内部磁场的排出而表现出来。超导体已经被用于医学成像、快速数字电路或灵敏磁强计,并且在未来的应用中有着巨大的潜力。然而,大多数技术上重要的超导体的电导率实际上并不“超级”。在这些所谓的II型超导体中,外部磁场以磁通量子化线的形式穿透材料。这些通量线被称为Abrikosov漩涡,阿列克谢Abrikosov命名的预测给他带来了2003年的诺贝尔物理学奖。在中等强度的电流下,涡旋开始移动,超导体不能再无阻力地携带电流。

在大多数超导体中,低阻状态受到1km /s量级的涡流速度的限制,这就决定了超导体在各种应用中的实际使用极限。同时,这样的速度还不够高,不足以解决丰富的物理一般性的非平衡集体系统。现在,一个国际科学家小组从维也纳大学、法兰克福歌德大学RAS的微观结构研究所,诉Karazin哈尔科夫国立大学,b . Verkin低温物理研究所和工程的NAS发现一个新的超导系统磁量子可以移动10到15公里/秒的速度。这种新型超导体具有结构均匀性高、临界电流大、加热电子弛豫快等罕见特性。这些特性的结合保证了在足够大的输运电流下,超导体从低阻态突然过渡到正常导电态的通量流动不稳定性现象发生。

近年来,出现了实验和理论工作指向的一个显著问题;最近发表在《自然通讯》杂志上的论文的第一作者、维也纳大学超导与自旋电子学实验室的负责人Oleksandr Dobrovolskiy说:“有人认为电流驱动的涡旋可以比超导载流子移动得更快。”然而,这些研究使用了局部不均匀结构。起初,我们使用的是高质量的清洁薄膜,但后来发现,脏超导体是支持超高速涡旋动力学的更好的候选材料。尽管这些导体的固有束缚不一定像其他非晶超导体那样弱,但加热电子的快速弛豫成为导致超快旋涡运动的主要因素。

在德国法兰克福的歌德大学教授Michael Huth的小组中,研究人员通过聚焦离子束诱导沉积,制造了一个Nb-C超导体。值得一提的是,除了在Nb-C中有超高速的涡旋速度之外,直接书写纳米制造技术还可以制造出形状复杂的纳米结构和具有复杂互连性的3-D流动电子电路,这些可能会在量子信息处理中得到应用。

超快涡旋物质研究的挑战

“为了达到超导体可以携带的最大电流,即所谓的脱落电流,我们需要在宏观长度尺度上相当均匀的样品,这部分是由于材料中的小缺陷造成的。电流衰减问题不仅是一个基本问题,而且在实际应用中也很重要;一个微米宽的超导带可以通过一个接近于衰减电流值的电流偏压而被一个近红外或光学光子切换到电阻状态,这在最近的实验中得到了预测和证实。这种方法为构建可用于共焦显微镜、自由空间量子密码学、深空间光通信等领域的大面积单光子探测器打开了前景。

研究人员成功地研究了漩涡在肮脏的Nb-C超导条带中移动的速度,这些条带在接近衰减电流的零磁场中具有临界电流。他们的结果表明,由于局部增强的电流密度,通量流动不稳定开始附近的漩涡进入样品。这为广泛使用的通量流不稳定性模型的适用性提供了见解,并建议Nb-C是快速单光子探测器的一个好的候选材料。