超導(dǎo)體是一種具有零電阻和完美抗磁性的物質(zhì)，在低溫下由庫(kù)珀對(duì)形成。庫(kù)珀對(duì)是兩個(gè)相反自旋的電子通過(guò)交換聲子而形成的束縛態(tài)，它們可以在整個(gè)超導(dǎo)體中相干地移動(dòng)，形成一個(gè)宏觀量子態(tài)。這種量子態(tài)可以支持無(wú)耗散的超電流，即使在斷開(kāi)外部電源后也能持續(xù)流動(dòng)。

超電流是一種非常有用的物理現(xiàn)象，它可以用于制造高效率的電力傳輸線、強(qiáng)大的磁體、高靈敏度的傳感器和快速的邏輯器件等。然而，目前存在一個(gè)重要的限制，那就是超電流是雙向?qū)ΨQ的，即正反方向的臨界超電流（即最大可持續(xù)超電流）是相等的。如果能夠打破這種對(duì)稱性，使得正反方向的臨界超電流不同，就可以實(shí)現(xiàn)一種新穎的功能，即超導(dǎo)二極管效應(yīng)。

超導(dǎo)二極管效應(yīng)是指一種非互易性或方向性的現(xiàn)象，即一個(gè)超導(dǎo)體在一個(gè)方向上允許更大的超電流通過(guò)，而在另一個(gè)方向上則抑制或阻斷超電流。這種效應(yīng)可以用于實(shí)現(xiàn)單向傳輸、隔離、整流、邏輯和存儲(chǔ)等功能，在量子信息處理、量子計(jì)算和量子通信等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管效應(yīng)，我們需要引入一種機(jī)制來(lái)打破正反方向上臨界超電流的對(duì)稱性。發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的一篇論文采用了兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：一種是利用外加磁場(chǎng)，在常規(guī)的超導(dǎo)薄膜中產(chǎn)生不對(duì)稱的渦旋分布；另一種是利用鐵磁半導(dǎo)體EuS，在超導(dǎo)薄膜中引入自旋極化的庫(kù)珀對(duì)。

研究人員首先制備了一系列的超導(dǎo)薄膜樣品，包括鈮、釩和鈮釩合金，厚度在10-100 nm之間。他們使用四探針?lè)y(cè)量了樣品的電阻-溫度曲線，確定了它們的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。然后，他們?cè)跇悠飞现谱髁宋⒚壮叽绲臉蚴浇Y(jié)構(gòu)，用于測(cè)量臨界超電流。他們?cè)跇悠飞鲜┘恿艘粋€(gè)小的直流偏置電流，并記錄了隨著溫度或磁場(chǎng)的變化而產(chǎn)生的電壓信號(hào)。當(dāng)電流超過(guò)臨界值時(shí)，超導(dǎo)體將從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，產(chǎn)生一個(gè)有限的電壓信號(hào)。他們分別在正反方向上測(cè)量了臨界超電流，并計(jì)算了它們的比值，作為超導(dǎo)二極管效應(yīng)的量度。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在零磁場(chǎng)下，正反方向上的臨界超電流是相等的，沒(méi)有觀察到超導(dǎo)二極管效應(yīng)。然而，當(dāng)他們?cè)跇悠菲矫鎯?nèi)施加一個(gè)小的磁場(chǎng)時(shí)，觀察到了明顯的超導(dǎo)二極管效應(yīng)，即正反方向上的臨界超電流不同。這種效應(yīng)隨著磁場(chǎng)的增大而增強(qiáng)，直到達(dá)到一個(gè)飽和值。他們發(fā)現(xiàn)，這種效應(yīng)與樣品的厚度、材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，但與樣品的幾何形狀無(wú)關(guān)。他們還發(fā)現(xiàn)，這種效應(yīng)在低溫和高溫區(qū)域都存在，但在接近超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)更加明顯。

解釋

為了解釋這種現(xiàn)象，研究人員考慮了兩種可能的機(jī)制：一種是渦旋邊界勢(shì)壘，另一種是邁斯納屏蔽電流。

渦旋是一種局域化的磁通量量子，在超導(dǎo)體中形成一個(gè)正常態(tài)核心和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的超電流環(huán)繞。當(dāng)外加磁場(chǎng)大于某個(gè)臨界值時(shí)，渦旋可以進(jìn)入超導(dǎo)體，并在其內(nèi)部形成一個(gè)規(guī)則或無(wú)序的陣列。渦旋可以在超導(dǎo)體中移動(dòng)，并受到不同類型的勢(shì)壘或阻力的影響。

其中一種勢(shì)壘是由于渦旋與超導(dǎo)體邊界或表面之間的相互作用而產(chǎn)生的。當(dāng)渦旋靠近邊界或表面時(shí)，它們會(huì)感受到一個(gè)排斥力，使得它們更難進(jìn)入或離開(kāi)超導(dǎo)體。這種勢(shì)壘會(huì)影響臨界超電流，因?yàn)楫?dāng)外加電流大于某個(gè)值時(shí)，渦旋將被迫移動(dòng)，并與勢(shì)壘相互作用。

邁斯納屏蔽電流是由于超導(dǎo)體對(duì)外加磁場(chǎng)的完美抗磁性而產(chǎn)生的。當(dāng)外加磁場(chǎng)改變時(shí)，超導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，以抵消磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)態(tài)的破壞。這個(gè)感應(yīng)電流會(huì)沿著超導(dǎo)體邊緣或表面流動(dòng)，并形成一個(gè)屏蔽層，使得內(nèi)部區(qū)域保持零磁場(chǎng)。這個(gè)屏蔽層的厚度由倫敦滲透深度決定，通常在幾百納米左右。邁斯納屏蔽電流也會(huì)影響臨界超電流，因?yàn)樗鼤?huì)與外加電流或渦旋電流相互作用，從而改變超導(dǎo)體的穩(wěn)定性。

檢驗(yàn)

研究人員通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)驗(yàn)證這兩種機(jī)制的有效性：首先，他們測(cè)量了不同方向上的磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)二極管效應(yīng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)沿著電流方向時(shí)，超導(dǎo)二極管效應(yīng)最強(qiáng)；當(dāng)磁場(chǎng)垂直于電流方向時(shí)，超導(dǎo)二極管效應(yīng)最弱；當(dāng)磁場(chǎng)在兩者之間時(shí)，超導(dǎo)二極管效應(yīng)呈現(xiàn)出一個(gè)余弦函數(shù)的依賴關(guān)系。這與渦旋邊界勢(shì)壘的預(yù)期一致，因?yàn)楫?dāng)磁場(chǎng)沿著電流方向時(shí)，渦旋更容易沿著邊界移動(dòng)，而當(dāng)磁場(chǎng)垂直于電流方向時(shí)，渦旋更難沿著邊界移動(dòng)。來(lái)源: www.ws46.com

其次，研究人員測(cè)量了不同厚度的樣品對(duì)超導(dǎo)二極管效應(yīng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品厚度小于倫敦滲透深度時(shí)，超導(dǎo)二極管效應(yīng)隨著厚度的增加而增強(qiáng)；當(dāng)樣品厚度大于倫敦滲透深度時(shí)，超導(dǎo)二極管效應(yīng)隨著厚度的增加而減弱。這與邁斯納屏蔽電流的預(yù)期一致，因?yàn)楫?dāng)樣品厚度小于倫敦滲透深度時(shí)，邁斯納屏蔽電流可以穿透整個(gè)樣品，而當(dāng)樣品厚度大于倫敦滲透深度時(shí)，邁斯納屏蔽電流只能存在于表面層。

最后，研究人員使用了一個(gè)理論模型來(lái)定量地?cái)M合我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得到了很好的一致性。他們的模型考慮了渦旋邊界勢(shì)壘和邁斯納屏蔽電流對(duì)臨界超電流的貢獻(xiàn)，并使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何因子來(lái)描述樣品的不對(duì)稱性。