原子台阶使量子涡旋移动更容易 1,000 倍
日本研究人员展示了，仅有一个原子高度的表面台阶可以像轨道一样引导量子涡旋，使涡旋在一个方向上的移动约比另一个方向容易 1,000 倍。该结果来源于一种由铟在硅上构建的超薄超导体。在 发表于 Physical Review B 的同行评审研究中，日本材料科学研究所（NIMS）、北海道大学、印度国家科学教育与研究所以及东京科学研究所的研究人员测量了约瑟夫森涡旋在原子台阶规则阵列的平行和垂直方向上的运动。在中等磁场下，对比度达到了103的数量级。与通常在超导体中通过缺陷捕获涡旋不同，这些台阶形成了高度定向的传输通道，其行为可通过温度和磁场进行调节。涡旋运动在超导体中的重要性在低于临界温度时，超导体能够在无普通电阻的情况下传导电流。然而，在磁场下，磁通会以量子化的环流漩涡形式渗透，称为涡旋。当这些涡旋移动时，会散发能量并产生电阻。因此，控制涡旋运动是超导材料的核心问题。传统工程常通过称为钉扎位点的缺陷来固定涡旋。新的实验探索了另一种可能性：对表面进行形状设计，使涡旋在一个方向上能够轻松移动，而在另一个方向上受到强烈阻碍。研究团队使用了原子层超导体 Si(111)-(√7×√3)-In，该材料是通过在略微倾斜的硅表面覆盖铟原子双层形成的。倾斜产生了平行的平台，它们主要由高度为 0.31 纳米的台阶隔开。这些平台的宽度平均约为 89 纳米——接近该材料中约瑟夫森涡旋核的横向尺寸（80–100 纳米）。这种尺度匹配非常重要。尽管每个台阶的高度不足一纳米，但它横跨了整个细长的涡旋核，并像一系列约瑟夫森结一样弱耦合相邻的超导平台。研究人员如何测量出 1,000 倍的差异研究人员首先在 0.4 开尔文下使用扫描隧道显微镜确认了平行台阶结构、超导能隙以及台阶处涡旋的存在。随后，他们制造了两种四端测量配置，使得洛伦兹力可以将涡旋沿台阶方向或横跨台阶方向推动。移动的涡旋会产生电阻，这为团队提供了衡量其迁移性的电学指标。随着样品在垂直磁场下冷却，薄膜电阻急剧下降——但下降速率取决于涡旋运动的方向，差异显著。在中等磁场下，得到的电阻各向异性（与迁移率各向异性成正比）约为 1,000。测量还揭示了多种传输状态。在相对较高温度和低磁场下，热能帮助涡旋克服钉扎势垒而爬行。增大磁场会不均匀地降低这些势垒。在约 0.10 至 0.20 特斯拉之间，平行于台阶的运动势垒消失，而横跨台阶的势垒仍为有限值，形成了作者所描述的“一维、无钉扎的涡旋流动”。在测得的最低温度下，热激活已不足以解释残余运动。研究人员因此得出结论，涡旋的运动由量子隧穿主导。他们绘制的磁场–温度相图展示了热蠕动、定向自由流动和量子运动占主导的区域。原子几何形状成为控制表面该研究扩展了早期工作，研究人员在相同的铟-硅体系中 直接成像约瑟夫森涡旋 于原子台阶上。新的贡献是提供了传输证据，展示了这些台阶在宏观器件中对涡旋运动的强大控制作用。这是一个显著的例子，展示了一个尺度的几何形状如何控制更大尺度的行为。亚纳米级的台阶影响了近 100...
