【摘 要】
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当超导体在某些维度上的尺寸接近于超导体的特征长度时,超导序参量的相位开始起重要作用,这使得系统的性质产生很大的改变。其中的某些效应只在该尺度上才会出现。随着微加工技术的不断进步,制备微纳尺度超导器件变得越来越容易,这就为研究超导体中与序参量的相位相干有关的物理提供了便利。在本文中,我们研究的是周期孔阵超导薄膜在超导转变温度附近的输运性质。我们用磁控溅射制备了超导薄膜,接着用微加工技术将薄膜加工成具
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
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当超导体在某些维度上的尺寸接近于超导体的特征长度时,超导序参量的相位开始起重要作用,这使得系统的性质产生很大的改变。其中的某些效应只在该尺度上才会出现。随着微加工技术的不断进步,制备微纳尺度超导器件变得越来越容易,这就为研究超导体中与序参量的相位相干有关的物理提供了便利。在本文中,我们研究的是周期孔阵超导薄膜在超导转变温度附近的输运性质。我们用磁控溅射制备了超导薄膜,接着用微加工技术将薄膜加工成具有周期孔阵结构的形式,并对其进行输运性质的测量。我们研究了周期孔阵超导薄膜中无回滞的间隙磁通,以及它对剩余薄膜之间序参量相干的影响。我们发现,对于无大块剩余膜区的周期孔阵超导薄膜,例如正方孔阵,随着磁场的增大,系统会在小块的剩余薄膜中引入间隙磁通。然而由于这种小块剩余薄膜对磁通的束缚能力较弱,因此薄膜对间隙磁通的束缚很快达到饱和,磁通重新以全磁通的形式全部填入孔中;随着磁场的进一步升高,孔内填充的全磁通再次饱和而在剩余膜区内再次填入间隙磁通;如此循环往复。这就使得周期孔阵的输运振荡随磁场的升高而表现出振荡区与过渡区交替出现的结果。不仅如此,间隙磁通的第一次出现就破坏了周期孔阵超导薄膜中相位的均匀变化,从而使不同路径上的相干被破坏而在磁阻振荡中失去了分数位置上的极小值。因此在磁场跨越第一个过渡区之后的所有振荡区,由于间隙磁通对相干的破坏,系统只能表现出类似于单环的性质。而对于具有大块剩余膜区的周期孔阵超导薄膜,其输运振荡对最近邻孔之间的最窄边距非常敏感,该值在很小范围内的变化就会使剩余薄膜序参量之间的相干与间隙磁通的回滞性产生很大的变化。接着,我们研究了周期孔阵超导薄膜中的局域化效应。对于Kagomé周期孔阵超导薄膜,它的连通性对应的是具有特殊局域几何的T3网络,这使得它在低场区下的1/2匹配场处具有出与其它分数匹配场截然不同的性质,从而在磁阻振荡中表现为一个尖锐的峰值。这种在特殊晶格和特定磁场下才出现的局域化效应与相同晶格的紧束缚电子的能谱中的平带息息相关。我们通过测量Kagomé孔阵的输运性质,分别使用两种不同的方法得到了系统在1/2匹配场处KT相变的温度,证明了系统在该磁场下存在KT相变。KT相变的存在很可能就是Kagomé孔阵在1/2匹配场处发生了局域化的一种体现。我们还研究了具有较低对称性的周期孔阵超导薄膜在低场区下输运振荡的起源。对于常规的周期孔阵如正方、三角、Kagomé和蜂窝孔阵等,当其最近邻孔的最窄边距ΔW与超导相干长度非常接近时,它在较低的磁场区域内的输运行为由剩余薄膜的连通性决定,此时周期孔阵超导薄膜可以简化为对应的线条网络。然而这些周期孔阵的振荡周期同时也与孔密度对应的周期振荡理论值相吻合,这就使得简单地将输运振荡归因于系统的连通性变得不够有说服力。我们制备了一组孔密度相同但孔分布不同的周期孔阵,通过对其进行输运测量发现,对于具有较低对称性的周期孔阵,其磁阻振荡的振荡周期与其孔密度对应的振荡周期并不相同,却仍然与其连通性对应的线条网络给出的理论值一致。不仅如此,磁阻振荡的分数细节也与对应的线条网络完全一致。除此之外,样品在Tc(H)和jc(H)等结果的整数和分数细节也与线条网络给出的结果相吻合。因此我们进一步证明了,对于一般形式的周期孔阵超导薄膜,它们在低场区下输运振荡效应确实是由剩余薄膜的连通性决定的,而与薄膜中的孔密度无关。剩余薄膜的各个环路之间的相位相干对周期孔阵的输运性质起到了主导作用。
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