科學家發現了一種新的超導系統，在該系統中，磁通量子可以以10到15公里/秒的速度移動。這為研究非平衡集體系統的豐富物理提供了途徑，並使直接寫Nb-C超導體成為單光子探測器的候選材料，其研究結果發表在《自然通訊》期刊上。超導是許多材料在低溫下發生的一種物理現象，它通過電阻消失和磁場從材料內部排出而表現出來。
超導體已經被用於醫學成像、快速數字電路或靈敏磁力計，並具有巨大的進一步應用潛力。然而，大多數具有重要技術價值超導體的電導率實際上並不是100%的。在這些所謂的第二類超導體中，外部磁場以磁通量線的形式穿透材料。這些通量線被稱為阿布里科索夫渦，以物理學家阿列克謝·阿布里科索夫的預測命名，並因其獲得了2003年的諾貝爾物理學獎。
在中等強度的電流下，渦旋開始移動，超導體在沒有電阻的情況下不能再攜帶電流。在大多數超導體中，低阻狀態受到1 km/s數量級的渦旋速度限制，這決定了超導體在各種應用中的實際使用極限。同時，這樣的速度還不足以解決非平衡集體系統的豐富物理問題。現在，來自維也納大學、法蘭克福歌德大學、RAS微觀結構研究所等的科學家團隊發現了一種新超導系統。
超導磁通量子的移動速度
在該新超導系統中，磁通量子可以以10到15 km/s的速度移動，這種新超導體表現出罕見的性能組合-高結構均勻性、大臨界電流和受熱電子的快速弛豫。這些特性的結合，確保了在足夠大的傳輸電流下發生磁通（流不穩定現象）超導體從低阻狀態到正常導電狀態的突然轉變。研究的主要作者、維也納大學超導與自旋電子學實驗室主任奧列克桑德爾·多布羅沃爾斯基表示：
近年來，出現了指向一個值得注意問題的實驗和理論著作。有研究認為，電流驅動的渦旋移動速度，可能比超導載流子的移動速度還要快。然而，這些研究使用的是局部不均勻結構，儘管這些材料中的本徵釘扎不一定像其他非晶態超導體那樣弱，但加熱電子的快速弛豫，成為能讓超快渦旋運動的主要因素。在研究中，研究人員在美因河畔法蘭克福歌德大學通過聚焦離子束誘導沉積製造了一種Nb-C超導體。
超快渦旋物質研究面臨的挑戰
值得注意的是，除了Nb-C超導體的超快渦旋速度外，直寫納米製造技術還可以製造複雜形狀的納米結構和具有複雜互連關係的三維磁通電路，這可能會在量子信息處理中得到應用。為了達到超導體可以攜帶的最大電流，即所謂的去配對電流，需要在宏觀長度範圍內是相當均勻的，這部分歸因於材料中的小缺陷。達到去對電流不僅是一個基本問題，而且對應用也很重要；正如實驗預測和證實的那樣：
如果一條微米寬的超導帶受到接近去對電流值的電流偏置，那麼該條就可以通過單個近紅外或光學光子轉換到電阻狀態。RAS微結構研究所高級研究員Denis Vodolazov說：這種方法為建造可用於共焦顯微鏡、自由空間量子密碼學、深空光通信等領域的大面積單光子探測器開闢了前景。研究人員成功地研究了沉積Nb-C超導帶材中渦旋的移動速度，這些超導帶材的臨界電流接近去配對電流，磁場為零。
研究表明，由於局部增強的電流密度，磁通流動不穩定性開始於渦旋進入超導體的邊緣附近。這為廣泛使用通量流不穩定模型的適用性提供了洞察，並表明Nb-C超導體是一種很好的快單光子探測器的候選材料。
博科園｜研究/來自：維也納大學
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-020-16987-y
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