▲第一作者：Yogesh Kumar Srivastava论文doi：10.1038/s41563-024-02107-4（点击文末「阅读原文」，直达链接）第二类超导体的磁行为是由一个超流环绕一个相干长度大小的核的量子涡旋来解释的。在厚度为t<λL的超导薄膜中，涡旋场以1/r2速度缓慢衰减，延伸至Pearl长度，称为Pearl涡旋，而不是像阿布里科索夫涡旋那样以log[1/r]发散并以伦敦穿透深度λL衰减。然而，珍珠涡对动态电感大幅增强的影响尚未得到充分探究。1.本工作发现了一种附加形式的动态电感（Pearl电感），它是由高超导转变温度(Tc)YBCO超导薄膜在Pearl长度尺度上的几何结构引起的。2.Pearl电感是由于在厚度为λL/7的超薄超材料谐振器中，涡旋屏蔽超流从λL扩展到14 λL，从而实现了太赫兹超电感。3.本工作的器件显示出超过量子电阻极限RQ=6.47 kΩ和33%的阻抗，为尖端的电子、光子和量子器件提供了可能性。
图文解析
1、图1a给出了厚度小于λL、宽度与PL相当或大于PL的薄载流SC线的示意图。从粉红色(最大电流)到蓝色(零电流)区域的颜色图显示，两根导线中的电流在整个厚度范围内是均匀的，并且在导线的宽度方向上衰减。2、为了验证SC条的亚λL特性，本工作首先在厚度为500 μm的r切蓝宝石衬底上表征了厚度为25 nm、35 nm和50 nm的高Tc YBCO超薄膜。虽然使用极薄的YBCO来实现大的PL和LK值是至关重要的，但是制备厚度小于25 nm的YBCO薄膜将Tc从85 K急剧降低到较低的值。因此，本工作将研究限制在25 nm的最小YBCO厚度，以探究PL在实现超电感中的作用。3、此外，为了实现这种薄条状SC的电流流动效应，本工作设计并制造了一种典型的LC谐振超材料器件，在单个单胞中具有四个相同的表面电流环，使用光刻和湿化学腐蚀方法，在1 cm×1 cm的面积上产生强表面电流和大振幅谐振。图1d描绘了所制备的超材料器件的光学图像，插图显示了其单胞的几何尺寸。图2. 珠光电感驱动YBCO超材料器件和超电感的LC谐振频移1、实验测得的25 nm YBCO超材料器件的变温透射谱如图2a所示，当样品温度从7 K升高到80 K时，透射谱发生了262 GHz的显著红移，远高于之前报道的太赫兹超材料器件。2、为了进一步证明在25 nm(最薄的)超材料器件中获得的巨大频移，本工作比较了25 nm厚的样品与具有相同几何参数的35 nm和50 nm YBCO超材料器件的随温度变化的频移(图2b)。观测到的262 GHz、211 GHz和165 GHz在25 nm、35 nm和50 nm超材料器件中的频移分别对应于频率捷度为44%、26%和19%，相对于25 nm和50 nm YBCO超材料器件在最低温度7 K和35 nm YBCO超材料器件在最低温度20 K测得的LC谐振频率0.62 THz、0.81 THz和0.85 THz。25 nm超材料器件的共振频率的大红移归因于超薄SC条中放大的屏蔽电流引起的LP的产生。图3. 超薄SC超材料器件中珍珠长度在超感出现中的作用1、为了进一步加强对PL型超级电感的观测，本工作在25nm厚的超材料器件中探究了LP起始温度(TK)对SC条宽度(w)的依赖关系。在本研究中，本工作仔细选择了3个条宽w分别为2.8 μm、4 μm和7 μm的超材料器件。2、首先，本工作使用基于伦敦方程和麦克斯韦方程的数值解的三维多层超导集成电路进行了模拟，并在7 K下监测了超材料器件晶胞中表面电流的膨胀。本工作在所有结构的垂直臂中观察到均匀的电流分布(图3a(i)-(iii))。然而，在w=2.8 μm和4 μm的情况下，沿水平条带的反向环流(谐振器条的顶部和底部回路)在PL (暗色区域)内相互抵消。在w=7 μm的情况下，宽度足够大，以容纳两个相邻回路在公共条中激发的循环电流，因此，它们在低温下对PL的影响较弱。3、本工作通过测量w=2.8 μm、4 μm和7 μm的超材料器件的LC谐振频率相对于最低温度(7 K)的谐振频率的偏移来验证本工作的结果(图3b)。具有w=7 µm的超材料器件显示出显著的275 GHz共振频率调谐，其次是w=4 μm的262 GHz和w=2.8 μm的168 GHz。275 GHz是在任何太赫兹超材料中观察到的最大光谱位移，尽管在7 μm器件中PL影响微弱，由于欧姆损耗和LK之间的竞争。4、本工作使用相同的拟合参数将拟合曲线(棕色虚线)外推到更大的温度范围(图3d)，以突出这种与测量值的偏差。有趣的是，本工作观察到的这些温度与测量值的偏差与超材料器件(图3c,垂直虚线)的每一个LP的TK相匹配。此外，本工作绘制了由拟合曲线得到的理论值与实验测量的LT值之间的平均误差值(图3e)。TK=34 K、54 K和64 K以上非零差值的存在，清楚地验证了超薄SC超材料器件中LP的珍珠长度激发。图4. 超材料器件共振频率、珍珠长度和运动电感的超快光学调控1、利用激光抽运-太赫兹波探测光谱，本工作展示了PL和LK在25 nm厚的超材料器件中的主动和超快控制。本工作用800 nm的光脉冲照射25 nm厚的YBCO超材料器件和YBCO薄膜，通过改变光脉冲与太赫兹探头之间的时间延迟(τp)，测量了差分太赫兹透射形式下电导率的动态变化。2、图4a描绘了在不同τp值下测得的25 nm厚的超材料器件的透射谱。令人惊讶的是，在光辐照下，超材料器件在7.2 ps的时间间隔内显示出大振幅调制和76 GHz的实质性共振频率偏移，如图4a中的黑色和红色曲线之间的位移所示。3、图4a中的蓝色曲线表明，由于超导电性的恢复，共振在进一步增加的τp上重新出现。25 nm超材料器件(图4b)的动态共振频率紧密遵循库珀对动力学。从图4c可以看出，在7.2 ps内，用较低注量的光泵浦脉冲辐照时，测得的PL发生了较大的动态变化，从平衡值2.38 μm到最大解离点处的3.26 μm。更有趣的是，图4d显示了25 nm超材料器件(79 pH至122 pH(7 K))在动力学峰值处LK有54%的瞬态调制，而由于谐振超材料器件中较大的表面电流导致PL有37 %的变化，从而产生了熔化电荷序。4、综上所述，本工作利用25nm和35nm厚的YBCO超材料在实验上实现了太赫兹高温超电感。对于25 nm厚的YBCO超材料，本工作展示了275 GHz的巨大频移，564 pH的动态电感和8.6 kΩ(>RQ)的特性阻抗。本工作发现，珍珠长度在结构化SC超表面中诱导了几个令人兴奋的效应，包括创建一个扩展的筛选区域。通过构造几何尺寸与Pearl长度相当的超材料器件，本工作观察到了与理论的根本偏离，导致Pearl电感和超电感的出现。此外，本工作在7 ps的超快时间尺度下，利用极低通量的光激发实现了高Tc超电感的主动开关。这些太赫兹超电感将在超连续谱量子计算、计量、量子传感器、超紧凑电感和基于动感效应的宽带辐射探测器，包括太赫兹单光子探测等方面有应用。https://www.nature.com/articles/s41563-024-02107-4
选自微信公众号 科研共进社
