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《美国国家科学院院刊》报道我院王永磊教授及科研合作团队平行磁场抑制纳米超导体能量耗散重要成果

2019-07-19

《美国国家科学院院刊》报道我院王永磊教授及科研合作团队平行磁场抑制纳米超导体能量耗散重要成果

《美国国家科学院院刊》报道我院王永磊教授及科研合作团队平行磁场抑制纳米超导体能量耗散重要成果超导材料完全无损耗的能量传输特性(完全零电阻)使其成为超低功耗电子学器件的理想载体。

第二类超导体由于可以承载更大的无损耗电流,是最有应用价值的超导材料。

第二类超导体中最重要的现象是当磁场穿过超导体时会形成量子化的超导磁通。

这些超导磁通在电流驱动产生的洛伦兹力的作用下会发生运动(图1)。 而超导磁通的运动会产生能量损耗,使得超导材料失去零电阻的性质。 可以说超导磁通的运动模式几乎决定了所有应用超导材料的电磁特性。

因此,通过调控超导磁通的运动模式可以有效地改善超导材料的电输运性质和超导电子学器件的性能。

图1.第二类超导体在磁场下存在量子化的磁通,超导磁通在电流下受到洛仑兹力的作用发生运动,磁通的运动会产生能量损耗。 由于超导磁通量子的数量与外加磁场强度成正比。

在通常情况下,磁通运动产生的能量损耗也会随着外加磁场的增加而增大。 最近我院王永磊教授及其科研合作团队通过实验测量和理论计算模拟同时展示了纳米尺度超导样品中磁通运动的奇特行为。 当外加磁场平行于电流时,样品的能量损耗先随着磁场的增加而逐渐变大,而进一步增加磁场强度时样品的能量损耗反而随着磁场的增加而减少,并重新回到完全无损耗的零电阻状态(图2)。

这一奇特的行为是样品中的缺陷和磁通的相互作用以及磁通之间的相互作用相竞争的结果。

图2.(a)100纳米厚的超导样品所加磁场和电流方向示意图;(b)三个不同磁场方向下电阻随磁场的实验曲线。 其中当磁场平行于电流时电阻随磁场先增加再降低到零电阻态(红色曲线);(c)和(d)为金兹堡-朗道模拟计算的平行磁场下磁通的分布图。

(c)为中间磁场强度下弯曲的磁通存在与电流垂直分量,洛仑兹力驱动磁通运动产生能量损耗,(d)为较大磁场下大量平行准直的磁通平行于电流,没有洛仑兹力,重新进入零电阻态。

该工作揭示了纳米尺度超导样品中,在平行磁场电流下缺陷对磁通运动作用的全新机制。

即当磁场平行于电流时,缺陷使得限制在纳米尺度下的磁通产生弯曲,并形成与电流垂直的分量,从而产生洛仑兹力驱动磁通运动并产生能量损耗。 该损耗可以通过进一步增加平行磁场强度来消除。 这一机制与以往人们对磁场垂直于电流情况下的认识截然相反。 在垂直情况下,由于缺陷降低超导凝聚能,其对磁通产生钉扎作用并抑制磁通的运动,从而降低能量损耗。 这一研究成果对未来开发纳米尺度的超导电子学器件有着重要的指导意义。

该工作以Parallelmagneticfieldsuppressesdissipationinsuperconductingnanostrips为题于2017年11月13日在线发表(11月28日正式发表)在国际权威期刊《美国国家科学院院刊》,114,E10274(2017),doi:/,论文连接。