科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的超導(dǎo)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，磁通量子可以以10到15公里/秒的速度移動。這為研究非平衡集體系統(tǒng)的豐富物理提供了途徑，并使直接寫Nb-C超導(dǎo)體成為單光子探測器的候選材料，其研究結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》期刊上。

超導(dǎo)是許多材料在低溫下發(fā)生的一種物理現(xiàn)象，它通過電阻消失和磁場從材料內(nèi)部排出而表現(xiàn)出來。

超導(dǎo)體已經(jīng)被用于醫(yī)學(xué)成像、快速數(shù)字電路或靈敏磁力計(jì)，并具有巨大的進(jìn)一步應(yīng)用潛力。然而，大多數(shù)具有重要技術(shù)價值超導(dǎo)體的電導(dǎo)率實(shí)際上并不是100%的。在這些所謂的第二類超導(dǎo)體中，外部磁場以磁通量線的形式穿透材料。這些通量線被稱為阿布里科索夫渦，以物理學(xué)家阿列克謝·阿布里科索夫的預(yù)測命名，并因其獲得了2003年的諾貝爾物理學(xué)獎。

在中等強(qiáng)度的電流下，渦旋開始移動，超導(dǎo)體在沒有電阻的情況下不能再攜帶電流。在大多數(shù)超導(dǎo)體中，低阻狀態(tài)受到1 km/s數(shù)量級的渦旋速度限制，這決定了超導(dǎo)體在各種應(yīng)用中的實(shí)際使用極限。同時，這樣的速度還不足以解決非平衡集體系統(tǒng)的豐富物理問題?，F(xiàn)在，來自維也納大學(xué)、法蘭克福歌德大學(xué)、RAS微觀結(jié)構(gòu)研究所等的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新超導(dǎo)系統(tǒng)。

超導(dǎo)磁通量子的移動速度

在該新超導(dǎo)系統(tǒng)中，磁通量子可以以10到15 km/s的速度移動，這種新超導(dǎo)體表現(xiàn)出罕見的性能組合-高結(jié)構(gòu)均勻性、大臨界電流和受熱電子的快速弛豫。這些特性的結(jié)合，確保了在足夠大的傳輸電流下發(fā)生磁通（流不穩(wěn)定現(xiàn)象）超導(dǎo)體從低阻狀態(tài)到正常導(dǎo)電狀態(tài)的突然轉(zhuǎn)變。研究的主要作者、維也納大學(xué)超導(dǎo)與自旋電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任奧列克桑德爾·多布羅沃爾斯基表示：

近年來，出現(xiàn)了指向一個值得注意問題的實(shí)驗(yàn)和理論著作。有研究認(rèn)為，電流驅(qū)動的渦旋移動速度，可能比超導(dǎo)載流子的移動速度還要快。然而，這些研究使用的是局部不均勻結(jié)構(gòu)，盡管這些材料中的本征釘扎不一定像其他非晶態(tài)超導(dǎo)體那樣弱，但加熱電子的快速弛豫，成為能讓超快渦旋運(yùn)動的主要因素。在研究中，研究人員在美因河畔法蘭克福歌德大學(xué)通過聚焦離子束誘導(dǎo)沉積制造了一種Nb-C超導(dǎo)體。

超快渦旋物質(zhì)研究面臨的挑戰(zhàn)

值得注意的是，除了Nb-C超導(dǎo)體的超快渦旋速度外，直寫納米制造技術(shù)還可以制造復(fù)雜形狀的納米結(jié)構(gòu)和具有復(fù)雜互連關(guān)系的三維磁通電路，這可能會在量子信息處理中得到應(yīng)用。為了達(dá)到超導(dǎo)體可以攜帶的最大電流，即所謂的去配對電流，需要在宏觀長度范圍內(nèi)是相當(dāng)均勻的，這部分歸因于材料中的小缺陷。達(dá)到去對電流不僅是一個基本問題，而且對應(yīng)用也很重要；正如實(shí)驗(yàn)預(yù)測和證實(shí)的那樣：

如果一條微米寬的超導(dǎo)帶受到接近去對電流值的電流偏置，那么該條就可以通過單個近紅外或光學(xué)光子轉(zhuǎn)換到電阻狀態(tài)。RAS微結(jié)構(gòu)研究所高級研究員Denis Vodolazov說：這種方法為建造可用于共焦顯微鏡、自由空間量子密碼學(xué)、深空光通信等領(lǐng)域的大面積單光子探測器開辟了前景。研究人員成功地研究了沉積Nb-C超導(dǎo)帶材中渦旋的移動速度，這些超導(dǎo)帶材的臨界電流接近去配對電流，磁場為零。

研究表明，由于局部增強(qiáng)的電流密度，磁通流動不穩(wěn)定性開始于渦旋進(jìn)入超導(dǎo)體的邊緣附近。這為廣泛使用通量流不穩(wěn)定模型的適用性提供了洞察，并表明Nb-C超導(dǎo)體是一種很好的快單光子探測器的候選材料。

博科園｜研究/來自：維也納大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-16987-y

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