[论文解读] Determining the absolute value of magnetic penetration depth in small-sized superconducting films

Ruozhou Zhang, Mingyang Qin+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 43被引用 3

一句话总结

本文提出了一种快速小波配置（FWC）方法，可直接测定小尺寸多边形超导薄膜的绝对磁渗透深度λ，克服了传统磁通泄漏扣除（FLS）方法的局限性。FWC方法实现了与薄膜尺寸无关的精确λ提取，通过在不同尺寸的NbN薄膜中获得一致的λ值得到验证，包括在FLS方法因边缘电流效应而失效的5×5 mm²薄膜。

ABSTRACT

In the previous four decades, a two-coil mutual inductance (MI) technique has been widely employed in characterizing magnetic penetration depth, $\lambda$, of superconducting films. However, the conventional methods used to obtain $\lambda$ are not applicable to small-sized films with common shapes, which limits the application of the MI technique in superconductivity research. Here, we first employed the fast wavelet collocation (FWC) method to a two-coil system and then proposed the possibility of directly obtaining the absolute $\lambda$ of polygonal superconducting films with arbitrary sizes. To verify its accuracy and advantages, we extracted the $\lambda$ values of square NbN films with different sizes using the FWC and conventional flux leakage subtraction (FLS) methods. Notably, the FLS method fails for a $5 imes 5 \, m mm^2$ film, which is attributed to the significant current peak at the film edge. In contrast, the absolute $\lambda$ extracted using the FWC method was independent of the film size. Finally, we established the applicability of the FWC method to large coil spacings, which may pave the way for integrating high-accuracy $\lambda$ measurements with the ionic liquid gating technique.

研究动机与目标

• 克服传统磁通泄漏扣除（FLS）方法在小尺寸超导薄膜中无法准确测定绝对磁渗透深度λ的缺陷。
• 解决FLS方法在具有显著边缘电流效应的薄膜（如5×5 mm²方形NbN薄膜）中失效的问题。
• 开发一种适用于任意尺寸和形状的多边形超导薄膜的数值方法。
• 实现与先进技术（如离子液体门控）兼容的高精度λ测量，通过扩展至大线圈间距的应用范围。

提出的方法

• 采用快速小波配置（FWC）方法求解包含超导薄膜的双线圈系统中互感的积分方程。
• 利用小波基配置方法建模薄膜上的屏蔽电流分布，以处理复杂几何形状和边缘效应。
• 利用FWC方法直接从实测互感数据中提取λ，无需依赖磁通泄漏扣除。
• 通过将FWC方法提取的λ值与传统FLS方法在不同尺寸的方形NbN薄膜上的结果进行比较，验证该方法的有效性。
• 通过展示在不同薄膜尺寸（包括FLS方法失效的大尺寸薄膜）下λ值的一致性，证明该方法的鲁棒性。
• 将FWC框架扩展至大线圈间距，实现与离子液体门控及其他原位测量技术的集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 FWC方法能否在小尺寸非圆形超导薄膜中实现准确且与尺寸无关的绝对磁渗透深度λ测定？
• RQ2 为何传统FLS方法在大尺寸小尺寸超导薄膜（如5×5 mm²方形NbN薄膜）中失效？
• RQ3 当线圈间距增大时，FWC方法的准确性在多大程度上仍能保持，从而实现与原位技术的兼容？
• RQ4 FWC方法如何处理强烈的边缘电流效应，这些效应会扭曲传统FLS方法中的磁通泄漏校正？
• RQ5 FWC方法能否在不预先假设几何形状或对称性的前提下，推广至任意多边形薄膜形状和尺寸？

主要发现

• FWC方法成功提取了多种尺寸方形NbN薄膜的绝对磁渗透深度λ，所得结果与薄膜尺寸无关，保持一致。
• 对于5×5 mm²的NbN薄膜，传统FLS方法因薄膜边缘出现显著的电流峰而失效，导致磁通泄漏校正严重失真。
• FWC方法即使在强边缘效应存在的情况下也能实现精确的λ提取，展现出超越FLS方法适用极限的鲁棒性。
• FWC方法被验证为与薄膜尺寸无关，提取的λ值在不同薄膜尺寸下保持恒定。
• FWC方法被证明适用于大线圈间距，为未来与离子液体门控及其他原位测量技术的集成提供了可能。
• FWC方法为测量小尺寸非圆形超导薄膜中的λ提供了一种可靠且与尺寸无关的替代FLS的方案。