[论文解读] 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 67

一句话总结

本研究通过实验验证了拐角形铝微带由于内弯处电流集中，表现出不对称的涡旋动力学，导致临界电流具有磁场依赖性增强及强烈的电压整流效应。该效应源于外加电流与内拐角处屏蔽电流之间的竞争相互作用，使得非对称超导纳米电路中可实现整流与磁场调控的临界电流调制。

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.

研究动机与目标

• 研究具有90°尖锐弯折的拐角形铝微带的超导输运特性。
• 理解内弯处电流集中如何影响涡旋渗透与临界电流行为。
• 通过实验验证理论预测的、由外加电流与屏蔽电流补偿引起的临界电流磁场依赖性增强。
• 展示非对称超导纳米电路作为高效电压整流器的潜力。

提出的方法

• 利用电子束光刻在Si/SiO2基底上制备90°拐角形铝微带（宽3.3 μm，厚67 ± 2 nm）及直参考条带（宽3.7 μm）。
• 在不同磁场与电流方向下，采用1 μV电压判据测量临界电流（Ic）。
• 通过在0.95 R_N处的电阻转变确定Tc(H)，实现弯曲与直条带之间的直接比较。
• 利用原子力显微镜测量实际样品尺寸，校正名义值偏差。
• 分析Ic对磁场与电流方向的依赖性，识别不对称响应与整流效应。
• 将实验结果与伦敦与金兹堡-朗道模型的理论预测进行比较，特别是关于屏蔽电流补偿的Clem-Peeters模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 与直条带相比，铝微带中的90°拐角如何影响涡旋渗透动力学？
• RQ2 在内弯处，外加电流与超导屏蔽电流的相互作用是否导致临界电流的磁场依赖性增强？
• RQ3 内弯处的非对称电流集中是否能在超导纳米电路中诱导可测量的电压整流？
• RQ4 临界电流达到峰值时的补偿磁场H_max如何依赖于温度与材料参数？
• RQ5 实验结果在多大程度上符合非直线超导结构中电流集中与磁场调控临界电流的理论预测？

主要发现

• 观察到在正向电流下，临界电流Ic随负向磁场增加而明显增强，且在H_max处达到峰值，证实了屏蔽电流补偿的理论预测。
• 在正向磁场与正向电流下，Ic单调减小，表明由于内弯处电流集中导致的不对称响应。
• 当磁场超过H_max后，负向磁场下的临界电流增强效应被抑制，这是由于反涡旋成核导致Ic下降趋势恢复。
• 补偿磁场H_max仅为H_c2(T)的小部分，且随着温度升高，H_max / H_c2(T)减小，与理论模型一致。
• 电压整流效应显著，不对称的电压信号表明拐角形铝微带具有高效的整流性能。
• 对30°与60°拐角样品的补充测量重现了棘轮效应与磁场诱导的Ic增强，证实了该现象的普适性。