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研究方向

超导具有零电阻和完全抗磁性的特性,在能源、医疗、国防、交通等诸多领域具有重要的应用价值。磁通涡旋物质是超导物理研究中的一个重要内容。通过磁通涡旋物质可以深入研究超导材料的物性和超导机制。 此外,磁通涡旋物质可以作为研究多体相互作用的一个重要体系,并可用于设计基于磁通涡旋的量子化器件。本课题组致力于超导磁通涡旋物质的实验研究,主要采用低温微区磁场成像设备和宏观物性测量手段研究超导薄膜、单晶材料中的磁通涡旋物质调控及其动力学行为。 具体的研究方向包括:纳米结构超导体、涡旋物质结构、涡旋动力学、人工自旋冰等。


课题组承担的科研项目

2022-2025 国家自然科学基金(面上)

2020-2022 上海市青年拔尖人才计划

2019-2024 国家重点研发计划子课题 

2019-2021 国家自然科学基金(青年)

2018-2020 上海市特聘教授“东方学者”计划

2015-2017 比利时弗拉芒政府科学基金



部分研究成果简介如下:

超导体磁通涡旋物质的精确调控

扫描隧道显微镜(STM)凭借其原子尺度的空间分辨率和局域电子态密度的探测能力目前被广泛的应用于凝 聚态物理的研究中。同时 STM 可以精确的调控原子的分布,从而使原子尺度器件的设计成为可能。在超导体的研究中,STM是唯一在高磁场下具有单量子磁通成像的探测手段。然而利用STM对超导体以及磁通涡旋物质在微观尺度上进行调控的能力依然空缺。我们把STM与扫描霍尔显微镜相结合,利用STM隧道结产生的热量在微纳尺度上对超导体进行加热来调控超导电性,从而实现了磁通涡旋的精确调控。该微纳加热器的功率可以通过隧道电压来精确调节。基于此,我们可以实现在超导体局部区域探测Kibble-Zurek相变。同时利用STM的高分辨率,实现了对磁通涡旋的精确移动,可将其排列成任意结构。首次将 STM 的功能从移动单个原子扩展到了移动量子化的磁通涡旋

图:利用STM探针隧道结加热功能实现磁通涡旋的精确调控。例,将磁通涡旋排列成vortex的首字母“V”; 结合微弱的超导电流实现无外磁场条件下磁通涡旋的人工制备。

这为将来设计基于磁通涡旋的量子器件提供了一个重要的工具。此外,我们进一步利用该方法,实现了无需外磁场的条件下在超导体内部任意位置控制磁通涡旋的人工制造。该方法被评价为继传统教科书中两种磁通涡旋产生机理之外的第三种方法。相关结果发表于《Nature Communications》和《Nano Letters》。

超导体类磁偶极子现象

我们首次发现在迈斯纳态中,钉扎源导致迈斯纳电流重取向,可以形成类磁偶极子的现象,从而极大的改变了超导体内部磁场的分布。通过在超导体中引入钉扎源,可以精确的调控磁偶极子产生的位置和强度。该类磁偶极子可以被看作是量子化的磁通涡旋的前驱,在临界电流密度下导致了磁通涡旋退钉扎。当电流强度增大到一定程度时,这些钉扎源将会周期性的产生量子化的磁通涡旋。

该研究表明通过对钉扎源的设计减小磁偶极子的强度可以很好的提高超导体的临界电流密度。该发现对工业上提高超导体临界电流密度的设计提供了一个新的思路。相关结果发表于《Nature Communications》和Physical Review B》。


人工涡旋冰

人工自旋冰是目前凝聚态物理领域研究的一个重要方向,在传统的结构阻挫研究以及新型数据存储和计算技术方面的拥有巨大的优势和潜力。传统的人工自旋冰研究采用的纳米磁体之间较弱的相互作用以及大量激发态的存在使得该体系很难达到大尺度范围的有序基态分布。我们利用其前期在超导体迈斯纳态中发现的类磁偶极子现象,通过在超导体薄膜中引入周期性的人工钉扎源控制类磁偶极子的排列,成功的制备出了具有和人工自旋冰磁荷分布相同的新型磁结构。该结构具有显著的优点就是利用电流首次实现了相关磁荷结构的开关和磁荷强度的调节。此外,通过与磁通涡旋晶格相耦合,实现了单个磁荷选择性的擦除。

相关结果发表在《Nature Communications》和《Physical Review B》。这一研究结果将人工冰体系的研究拓展到了磁通涡旋的新领域。