超导体中涡旋的超高速运动

科技工作者之家 2020-07-06

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中等涡旋速度的阿布里科索夫晶格(左);超快移动的阿布里科索夫-约瑟夫森“涡河”(右)。

《自然通讯》7月3日报道,奥地利、德国、乌克兰和俄罗斯科学家组成的国际团队发现了一种新的高速超导系统。在这种超导系统中,磁通量量子能够以每秒10~15千米的速度运动。新超导系统还具有结构均匀性高、临界电流大(接近去偶电流)、加热电子弛豫快等罕见特征。这些特征能够确保超导体在足够大的传输电流下,表现出通量流动不稳定性(超导体由低阻态向正常导电态的突然转变)。

该成果为非平衡集体系统的研究奠定了基础,并使直写Nb-C超导体有望作为单光子探测器的候选材料。

超导一般是材料在低温下表现出来的奇特性质。超导体已在医学成像、高速数字电路和高灵敏磁强计等方面有诸多应用,其巨大的应用潜力还有待进一步开发。

然而,大多数技术涉及的超导体的电导率实际上并不“超级”。在II型超导体中,外部磁场以磁通量子化线的形式穿透材料。这些通量线被称为阿布里科索夫涡旋。在中等强度的电流下,涡旋开始移动,超导体无法再无阻力地输运电流。

论文第一作者、维也纳大学超导与自旋电子学实验室负责人Oleksandr Dobrovolskiy说:“有人认为,电流驱动的涡旋比超导载流子移动得更快。然而,这些研究使用的是局部不均匀结构。起初,我们使用高质量的清洁薄膜进行研究。但后来我们发现,脏超导体是支持超高速涡旋动力学的更好材料。尽管这类导体的固有束缚不一定像其它非晶超导体那样弱,但加热电子的快速弛豫已成为导致超快涡旋运动的主要因素。”

法兰克福歌德大学教授Michael Huth团队利用聚焦离子束诱导沉积技术,制造了Nb-C超导体。值得注意的是,除了Nb-C的超高速涡旋速度,直写纳米制造技术还可以制造出形状复杂的纳米结构,以及具有复杂互连性的3D流动电子电路。

这些发现有可能会在量子信息处理中有所建树。

微观结构研究所科学家Denis Vodolazov说:“为了达到超导体可以携带的最大电流(去偶电流),我们需要制备出在宏观长度尺度上相当均匀的样品。电流去偶问题不仅是一个基本科学问题,也是一个重要的实际问题。例如,最近的实验已经证实,微米级超导带可通过接近于去偶电流值的电流偏压,被近红外或光子切换到电阻态。这一发现对共焦显微镜、自由空间量子密码学和深空间光通信等领域的研究有推动作用。”

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编译:雷鑫宇 

审稿:西莫 

责编: 程建兰

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:

https://phys.org/news/2020-07-super-fast-motion-vortices-superconductors.html

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