科学家发现了一种新的超导系统，在该系统中，磁通量子可以以10到15公里/秒的速度移动。这为研究非平衡集体系统的丰富物理提供了途径，并使直接写Nb-C超导体成为单光子探测器的候选材料，其研究结果发表在《自然通讯》期刊上。超导是许多材料在低温下发生的一种物理现象，它通过电阻消失和磁场从材料内部排出而表现出来。

超导体已经被用于医学成像、快速数字电路或灵敏磁力计，并具有巨大的进一步应用潜力。然而，大多数具有重要技术价值超导体的电导率实际上并不是100%的。在这些所谓的第二类超导体中，外部磁场以磁通量线的形式穿透材料。这些通量线被称为阿布里科索夫涡，以物理学家阿列克谢·阿布里科索夫的预测命名，并因其获得了2003年的诺贝尔物理学奖。

在中等强度的电流下，涡旋开始移动，超导体在没有电阻的情况下不能再携带电流。在大多数超导体中，低阻状态受到1 km/s数量级的涡旋速度限制，这决定了超导体在各种应用中的实际使用极限。同时，这样的速度还不足以解决非平衡集体系统的丰富物理问题。现在，来自维也纳大学、法兰克福歌德大学、RAS微观结构研究所等的科学家团队发现了一种新超导系统。

超导磁通量子的移动速度

在该新超导系统中，磁通量子可以以10到15 km/s的速度移动，这种新超导体表现出罕见的性能组合-高结构均匀性、大临界电流和受热电子的快速弛豫。这些特性的结合，确保了在足够大的传输电流下发生磁通（流不稳定现象）超导体从低阻状态到正常导电状态的突然转变。研究的主要作者、维也纳大学超导与自旋电子学实验室主任奥列克桑德尔·多布罗沃尔斯基表示：

近年来，出现了指向一个值得注意问题的实验和理论著作。有研究认为，电流驱动的涡旋移动速度，可能比超导载流子的移动速度还要快。然而，这些研究使用的是局部不均匀结构，尽管这些材料中的本征钉扎不一定像其他非晶态超导体那样弱，但加热电子的快速弛豫，成为能让超快涡旋运动的主要因素。在研究中，研究人员在美因河畔法兰克福歌德大学通过聚焦离子束诱导沉积制造了一种Nb-C超导体。

超快涡旋物质研究面临的挑战

值得注意的是，除了Nb-C超导体的超快涡旋速度外，直写纳米制造技术还可以制造复杂形状的纳米结构和具有复杂互连关系的三维磁通电路，这可能会在量子信息处理中得到应用。为了达到超导体可以携带的最大电流，即所谓的去配对电流，需要在宏观长度范围内是相当均匀的，这部分归因于材料中的小缺陷。达到去对电流不仅是一个基本问题，而且对应用也很重要；正如实验预测和证实的那样：

如果一条微米宽的超导带受到接近去对电流值的电流偏置，那么该条就可以通过单个近红外或光学光子转换到电阻状态。RAS微结构研究所高级研究员Denis Vodolazov说：这种方法为建造可用于共焦显微镜、自由空间量子密码学、深空光通信等领域的大面积单光子探测器开辟了前景。研究人员成功地研究了沉积Nb-C超导带材中涡旋的移动速度，这些超导带材的临界电流接近去配对电流，磁场为零。

研究表明，由于局部增强的电流密度，磁通流动不稳定性开始于涡旋进入超导体的边缘附近。这为广泛使用通量流不稳定模型的适用性提供了洞察，并表明Nb-C超导体是一种很好的快单光子探测器的候选材料。

博科园｜研究/来自：维也纳大学

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s41467-020-16987-y

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