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

S. V. Dubonos, В. И. Кузнецов+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用 28

一句话总结

该论文表明，外部交流电流在非对称介观超导环中感应出与持久电流成正比的直流电压，且随磁通量以磁通量子为单位振荡。该效应源于由于环的非对称性及电压对交流电流振幅的非单调依赖关系，导致在动态电阻态下的整流作用，从而可在串联阵列中实现电压叠加，20个环的系统中最高达300 μV。

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.

研究动机与目标

• 研究在接近Tc温度下非对称超导环中观测到的直流电压振荡的起源。
• 确定外部交流电流是否能诱导出与持久电流成正比的直流电压。
• 探索串联连接的环中电压叠加的可能性，以增强信号探测。
• 阐明动态电阻态和电流分布非对称性在产生整流直流电压中的作用。

提出的方法

• 使用3个和20个非对称铝环系统，环直径为4 μm，厚度40 nm，非对称宽度（窄段0.2 μm，宽段0.4 μm）。
• 施加频率为100 Hz – 1 MHz、振幅可调的外部交流电流，并以亚微伏分辨率测量电势触点间的直流电压。
• 在液氦-4低温恒温器中进行测量，温度范围为1.2 K至1.28 K，接近Tc ≈ 1.3 K，在受控磁场下进行。
• 分析直流电压振荡随磁通量子Φ/Φ₀的变化，显示周期性依赖关系，周期为h/2e。
• 通过时间平均电压建模整流效应，在动态电阻态下R_l > 0且I_p ≠ 0，使用公式V ≈ (V_dc,n ΔΘ_n - V_dc,w ΔΘ_w)/Θ。
• 计算电流超过窄段和宽段临界阈值的时间分数ΔΘ_n和ΔΘ_w，解释电压的非单调振幅依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 外部交流电流是否能在非对称超导环中感应出直流电压，且该电压是否与持久电流成正比？
• RQ2 为何感应直流电压的振幅对交流电流振幅表现出非单调依赖关系？
• RQ3 直流电压的磁通依赖性如何与持久电流振荡相关联？
• RQ4 能否通过将多个非对称环串联连接来放大直流电压？
• RQ5 该系统中交流电流整流为直流电压的物理机制是什么？

主要发现

• 在单个非对称超导环中成功诱导出与持久电流成正比的直流电压，其振荡在磁通量上具有周期性，周期为Φ₀。
• 直流电压振荡的振幅不依赖于外部交流电流的频率（100 Hz – 1 MHz），但随交流电流振幅增加至最大值后开始减小。
• 电压振幅对交流电流振幅的非单调依赖关系归因于电流分布的非对称性及动态电阻态下的时间平均电压。
• 实验验证了电压叠加：单个环中为10 μV，3个环中为40 μV，20个环系统中最高达300 μV。
• 观测到的整流效应被解释为源于动态电阻态，其中超导环在R_l > 0且I_p ≠ 0的连通状态间切换。
• 电压诱导的临界交流电流振幅随温度趋近T_c而减小至零，表明对微弱电噪声具有极高灵敏度。