[論文レビュー] Superconducting properties of corner-shaped Al microstrips

O.-A. Adami, Dorin Cerbu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 67

ひとこと要約

本研究では、内側の曲がりで電流の集中が生じるため、角型のアルミニウム微帯が非対称な渦運動を示すことが実験的に確認された。これにより、外部磁場依存の臨界電流の増大と強い電圧整流が生じる。この効果は、内側の角で印加電流とスクリーニング電流の競合的相互作用に起因し、非対称な超伝導ナノ回路における整流と磁場調整可能な臨界電流の制御を可能にする。

ABSTRACT

The electrical transport properties of corner-shaped Al superconducting microstrips have been investigated. We demonstrate that the sharp turns lead to asymmetric vortex dynamics, allowing for easier penetration from the inner concave angle than from the outer convex angle. This effect is evidenced by a strong rectification of the voltage signal otherwise absent in straight superconducting strips. At low magnetic fields, an enhancement of the critical current with increasing magnetic field is observed for a particular combination of field and current polarity, confirming a recently theoretically predicted competing interplay of superconducting screening currents and applied currents at the inner side of the turn.

研究の動機と目的

• 鋭い90°の曲がりを持つ角型Al微帯の超伝導輸送特性を調査すること。
• 内側の角での電流の集中が渦の侵入および臨界電流挙動に与える影響を理解すること。
• 理論的に予測された、印加電流とスクリーニング電流の相殺による磁場依存臨界電流増大を実験的に検証すること。
• 非対称な超伝導ナノ回路が効率的な電圧整流器としての可能性を示すこと。

提案手法

• Si/SiO2基板上に電子線リソグラフィーを用いて、3.3 μm幅、67 ± 2 nm厚の90°角型Al微帯と、3.7 μm幅の直線型基準微帯を作製した。
• さまざまな磁場と電流の向きの下で、1 μVの電圧基準を用いて臨界電流（Ic）を測定した。
• Tc(H)を0.95 R_Nでの抵抗遷移から決定し、曲がった帯と直線帯の直接比較を可能にした。
• 実際の試料寸法を測定するための原子間力顕微鏡を用い、名目値からのずれを補正した。
• Icの磁場および電流の向き依存性を分析し、非対称応答および整流効果を特定した。
• ローレンツ理論およびギンツブルグ＝ランダウ理論、特にスクリーニング電流の相殺に関するClem-Peetersモデルの理論予測と実験結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al微帯に90°の角が存在する場合、直線帯と比較して渦の侵入ダイナミクスにどのような影響を与えるか？
• RQ2 内側の角における印加電流と超伝導スクリーニング電流の相互作用が、磁場依存臨界電流の増大を引き起こすか？
• RQ3 内側の角における非対称な電流の集中が、超伝導ナノ回路で測定可能な電圧整流を誘発するか？
• RQ4 臨界電流がピークを示す補償磁場H_maxは、温度および材料パラメータにどのように依存するか？
• RQ5 実験結果は、非直線的な超伝導構造における電流の集中と磁場調整臨界電流の理論予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 正の電流に対して負の磁場が増加するに従い、臨界電流Icの明著な増大が観測され、ピークがH_maxで達成された。これは、スクリーニング電流の相殺による理論的予測を確認するものである。
• 正の磁場および正の電流の下では、Icは単調に減少し、内側の角での電流の集中に起因する非対称応答が示された。
• 負の磁場における臨界電流の増大は、H > H_maxで抗渦の核生成により抑制され、Icの減少が回復した。
• 補償磁場H_maxはH_c2(T)のわずかな割合であり、温度が上昇するにつれてH_max / H_c2(T)は減少する傾向にあり、理論モデルと整合的であった。
• 電圧整流効果が強く観測され、非対称な電圧信号が角型Al微帯における効率的な整流を示した。
• 30°および60°の角型試料の補足測定により、ラチェット効果および磁場誘起Ic増大が再現され、この現象の一般性が確認された。