设计一个几何挫折的更好的超导体

超导体包含微小的超流龙卷风，称为涡旋细丝，在移动时会产生阻力。这会影响超导体传导电流的方式。

但是，根据Nature Nanotechnology的一篇新论文，超导体配置中的磁控“开关”在管理涡旋细丝的位置，改变超导体的性质方面提供了前所未有的灵活性。

“我们研究超导体以及如何使它们更好地应用，”圣母大学物理系教授BoldizsárJankó和该论文的共同作者说。“超导技术的主要问题之一是它们中的大多数都有这些细丝，这些微小的超级龙卷风。当它们移动时，你就会产生阻力。”

研究人员一直在尝试设计新设备和新技术，将这些灯丝“固定”或固定到指定位置。先前用于钉住细丝的努力，例如在超导体中照射或钻孔，导致静态的，不可改变的阵列，或有序的细丝排列。由Jankó和合作者发现的一个新的动态系统将实现持续调整，随着时间的推移改变材料的属性。这项研究的结果于6月11日在Nature Nanotechnology上发表，题目为“人造 - 旋转冰/超导体异质系统中的可切换几何挫折”。

合作者的解决方案在超导体上覆盖了由一系列相互作用的纳米级条形磁铁组成的人造旋转冰。重新排列那些纳米棒磁体的磁取向导致超导位置上的钉扎的实时重新排列。这使得涡流的多个可逆旋转循环配置成为可能。旋转是粒子的自然角动量。

“这里的主要发现是我们能够可逆地重新配置这些旋转部位，而不是仅仅为旋涡设置一个旋转周期配置，我们现在有很多，我们可以来回切换它们，”Jankó说。他描述，磁荷与其他系统中的钻孔具有相同的钉扎效应，但不限于静态配置。例如，磁铁可以布置成在超导体中产生或多或少的阻力。可以将基本单元组合成能够进行逻辑操作的电路。

物理系研究助理教授，该论文的共同首位/共同通讯作者王勇雷，也是阿贡国家实验室和南京大学的附属机构，此前曾描述过人工旋转结构或磁性冰，可以调整到各种相对稳定的配置。这些结构被称为冰，因为它们涉及图案化的原子变形，类似于水结合时的氧键。在目前的研究中，Jankó提议将该系统应用于超导体。

“我们证明了非传统的人工旋转冰几何形状可以模仿人造方形旋转冰系统的电荷分布，允许通过局部和外部磁场对电荷位置进行前所未有的控制，”Wang说。“我们现在表明，这种对磁荷的控制可以用于控制旋转冰/超导体异质结构中的量子通量。” 他补充说，这一成功源于实验家和理论家之间的密切合作。

由于量子通量的控制难以在实验中可视化，因此需要模拟才能成功地重现结果，物理系的博士生马晓宇说，他在该研究中进行了计算机模拟并且是共同的第一作者在纸上。模拟使研究人员能够看到所涉及的详细过程。“我们可以实现的涡流配置数量巨大，我们可以按站点设计和本地重新配置它们，”Ma说。“这在以前从未实现过。”

Wang指出，这项研究有望为纳米尺度提供一种新的设置，用于设计和操纵几何有序和挫折 - 这是与旋转排列相关的磁性的一个重要现象 - 在各种材料系统中。这些包括磁性skyrmions，二维材料，拓扑绝缘体/半金属和软材料胶体。

“这可能会带来新颖的功能，”王说。“我们相信这项工作将为几何受挫材料系统的应用开辟新的方向。”