[논문 리뷰] Induction of dc voltage, proportional to the persistent current, by external ac current on system of inhomogeneous superconducting loops

S. V. Dubonos, В. И. Кузнецов외 3명|arXiv (Cornell University)|2003. 03. 26.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 3인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 미세구조 초전도 링에서 외부 교류 전류가 영속 전류에 비례하고 자기장 흐름의 푸른 단위로 진동하는 일차 전압을 유도함을 보여준다. 이 효과는 링의 비대칭성과 교류 전류 진폭에 대한 비단조화적 전압 의존성으로 인해 동적 저항 상태에서 정류화되어 발생하며, 이로 인해 최대 300 μV의 전압 합성 효과가 20개의 연결된 링에서 관측되었다.

ABSTRACT

A dc voltage induced by an external ac current is observed in system of asymmetric mesoscopic superconducting loops. The value and sign of this dc voltage, like the one of the persistent current, depend in a periodical way on a magnetic field with period corresponded to the flux quantum within the loop. The amplitude of the oscillations does not depend on the frequency of the external ac current (in the investigated region 100 Hz - 1 MHz) and depends on its amplitude. The latter dependence is not monotonous. The observed phenomenon of rectification is interpreted as a consequence of a dynamic resistive state induced by superposition of the external current and the persistent current. It is shown that the dc voltage can be added in system of loops connected in series: the dc voltage oscillations with amplitude up to 0.00001 V were observed in single loop, up to 0.00004 V in a system of 3 loops and up to 0.0003 V in a system of 20 loops.

연구 동기 및 목표

• Tc 근처 온도에서 관측된 비대칭 초전도 링의 일차 전압 진동의 기원을 조사하기 위해.
• 외부 교류 전류가 영속 전류에 비례하는 일차 전압을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 신호 감지 향상을 위해 직렬로 연결된 링에서 전압 합성의 가능성을 탐색하기 위해.
• 동적 저항 상태와 전류 분포의 비대칭성이 정류된 일차 전압을 생성하는 데 수행하는 역할를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 직경 4 μm, 두께 40 nm, 비대칭 폭(0.2 μm 좁은 부분, 0.4 μm 넓은 부분)을 가진 3개 및 20개의 비대칭 알루미늄 링 시스템을 사용하였다.
• 변동 가능한 진폭을 가진 외부 교류 전류(100 Hz – 1 MHz)를 인가하고, 마이크로볼트 이하의 해상도로 잠재적 접점 사이의 일차 전압을 측정하였다.
• Tc ≈ 1.3 K에 가까운 1.2 K에서 1.28 K의 온도에서 헬륨-4 냉각기에서 측정를 수행하였으며, 제어된 자기장 조건 하에서 수행하였다.
• 자기 흐름 단위 Φ/Φ₀에 따른 전압 진동을 분석하여, 주기적 의존성(주기 h/2e)을 보였다.
• R_l > 0 이고 I_p ≠ 0 인 동적 저항 상태에서 시간 평균 전압을 사용하여 정류 효과를 모델링하였으며, V ≈ (V_dc,n ΔΘ_n - V_dc,w ΔΘ_w)/Θ 를 사용하였다.
• 좁은 부분과 넓은 부분에서 임계 임계치를 초과하는 시간 비율 ΔΘ_n 과 ΔΘ_w 를 계산하여, 비단조화적 진폭 의존성의 원인을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 교류 전류가 비대칭 초전도 링에서 일차 전압을 유도할 수 있으며, 이는 영속 전류에 비례하는가?
• RQ2 유도된 일차 전압의 진폭이 교류 전류 진폭에 대해 비단조화적인 의존성을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ3 일차 전압의 자기 흐름 의존성은 영속 전류 진동과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 여러 개의 비대칭 링을 직렬로 연결함으로써 일차 전압을 증폭시킬 수 있는가?
• RQ5 이 시스템에서 교류 전류가 일차 전압으로 정류되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 비대칭 초전도 링에서 영속 전류에 비례하는 일차 전압이 유도되었으며, 자기 흐름에 대해 주기적 진동을 보였고 주기적 간격은 Φ₀였다.
• 일차 전압 진동의 진폭은 외부 교류 전류의 주파수(100 Hz – 1 MHz)에 영향을 받지 않았지만, 교류 전류 진폭 증가에 따라 최대값에 도달하기까지 증가하다가 감소하였다.
• 전압 진폭의 비단조화적 의존성은 비대칭 전류 분포와 동적 저항 상태에서의 시간 평균 전압에 기인한다.
• 전압 합성 효과는 실험적으로 확인되었으며, 단일 링에서 10 μV, 3개 링에서 40 μV, 20개 링 시스템에서 최대 300 μV를 기록하였다.
• 관측된 정류 효과는 초전도 링이 R_l > 0 이고 I_p ≠ 0 인 연결 상태로 전환되는 동적 저항 상태에서 기인한다고 해석되었다.
• 전압 유도를 위한 임계 교류 전류 진폭은 온도가 T_c에 가까워질수록 점차 0에 수렴하여 약한 전기 노이즈에 매우 민감함을 나타내었다.