超伝導材料の完全に損失のないエネルギー伝達特性 (完全に抵抗がゼロ) により、超伝導材料は超低電力電子デバイスにとって理想的なキャリアとなります。 II 型超電導体は、より大きな損失のない電流を流すことができるため、最も価値のある超電導材料です。 II 型超伝導体における最も重要な現象は、磁場が超伝導体を通過するときに量子化された超伝導磁束が形成されることです。この超電導磁束は電流駆動により発生するローレンツ力の作用を受けて移動します（図1）。超電導磁束の移動によりエネルギー損失が発生し、超電導材料のゼロ抵抗特性が失われます。超電導磁束の運動モードは、応用されるすべての超電導材料の電磁特性をほぼ決定すると言える。したがって、超電導磁束の移動モードを制御することにより、超電導材料の電気輸送特性や超電導電子機器の性能を効果的に向上させることができる。
超伝導磁束量子の数は外部磁場の強さに比例するからです。通常の状況では、外部磁場の増加に伴い、磁束の移動によって生じるエネルギー損失も増加します。最近、当研究所の王永雷教授と科学研究チームは、実験測定と理論計算シミュレーションを通じて、ナノスケール超電導サンプルにおける磁束運動の特異な挙動を同時に実証しました。外部磁場が電流と平行の場合、最初は磁場の増加に伴ってサンプルのエネルギー損失が徐々に増加します。しかし、磁場強度をさらに増加させると、磁場の増加に伴ってサンプルのエネルギー損失が減少し、完全に損失のないゼロ抵抗状態に戻ります（図2）。この特異な挙動は、磁束間の相互作用だけでなく、サンプル内の欠陥と磁束の相互作用の競合の結果でもあります。
図 2 (a) 厚さ 100 nm の超伝導サンプルに印加される磁場と電流の方向の概略図。 (b) 3 つの異なる磁場方向における抵抗対磁場の実験曲線。磁場が電流と平行の場合、抵抗は最初に磁場とともに増加し、次にゼロ抵抗状態まで減少します (赤い曲線)。 (c) と (d) は、Ginzburg-Landau シミュレーションによって計算された平行磁場下の磁束の分布図です。 (c)は、中程度の磁場強度下での曲げ磁束は電流に対して垂直な成分を持ち、ローレンツ力によって磁束の運動が駆動され、エネルギー損失が生じることを示しています。 (d)は、より大きな磁場の下では、多数の平行な平行磁束が電流と平行になり、ローレンツ力がなくなり、ゼロ抵抗状態に戻ることを示しています。
この研究は、ナノスケールの超伝導サンプルにおける平行磁場電流下での磁束運動に対する欠陥の影響の新しいメカニズムを明らかにします。つまり、磁場が電流と平行な場合、欠陥によりナノメートルスケールで閉じ込められた磁束が曲げられ、電流に垂直な成分が形成され、それによってローレンツ力が発生して磁束の移動が促進され、エネルギー損失が発生します。この損失は平行磁場強度をさらに高めることで解消できます。このメカニズムは、磁場が電流に対して垂直である場合のこれまでの理解とは完全に逆です。垂直の場合、欠陥により超電導凝縮エネルギーが減少し、磁束が固定されて磁束の移動が妨げられるため、エネルギー損失が減少します。この研究結果は、ナノスケール超電導電子デバイスの将来の開発にとって重要な指針となる重要な意味を持ちます。
この研究は、国際的に権威のある学術誌「米国科学アカデミー紀要」Proc国立アカド。 Sci、114、E10274 (2017)、doi:101073/pnas1619550114、論文リンク。
図 1 2 番目のタイプの超電導体は、磁場下で量子化された磁束を持ちます。超電導磁束は電流の下でローレンツ力の作用を受けて移動します。磁束の移動によりエネルギー損失が発生します。
超伝導磁束量子の数は外部磁場の強さに比例するからです。通常の状況では、外部磁場の増加に伴い、磁束の移動によって生じるエネルギー損失も増加します。最近、当研究所の王永雷教授と科学研究チームは、実験測定と理論計算シミュレーションを通じて、ナノスケール超電導サンプルにおける磁束運動の特異な挙動を同時に実証しました。外部磁場が電流と平行の場合、最初は磁場の増加に伴ってサンプルのエネルギー損失が徐々に増加します。しかし、磁場強度をさらに増加させると、磁場の増加に伴ってサンプルのエネルギー損失が減少し、完全に損失のないゼロ抵抗状態に戻ります（図2）。この特異な挙動は、磁束間の相互作用だけでなく、サンプル内の欠陥と磁束の相互作用の競合の結果でもあります。
図 2 (a) 厚さ 100 nm の超伝導サンプルに印加される磁場と電流の方向の概略図。 (b) 3 つの異なる磁場方向における抵抗対磁場の実験曲線。磁場が電流と平行の場合、抵抗は最初に磁場とともに増加し、次にゼロ抵抗状態まで減少します (赤い曲線)。 (c) と (d) は、Ginzburg-Landau シミュレーションによって計算された平行磁場下の磁束の分布図です。 (c)は、中程度の磁場強度下での曲げ磁束は電流に対して垂直な成分を持ち、ローレンツ力によって磁束の運動が駆動され、エネルギー損失が生じることを示しています。 (d)は、より大きな磁場の下では、多数の平行な平行磁束が電流と平行になり、ローレンツ力がなくなり、ゼロ抵抗状態に戻ることを示しています。
この研究は、ナノスケールの超伝導サンプルにおける平行磁場電流下での磁束運動に対する欠陥の影響の新しいメカニズムを明らかにします。つまり、磁場が電流と平行な場合、欠陥によりナノメートルスケールで閉じ込められた磁束が曲げられ、電流に垂直な成分が形成され、それによってローレンツ力が発生して磁束の移動が促進され、エネルギー損失が発生します。この損失は平行磁場強度をさらに高めることで解消できます。このメカニズムは、磁場が電流に対して垂直である場合のこれまでの理解とは完全に逆です。垂直の場合、欠陥により超電導凝縮エネルギーが減少し、磁束が固定されて磁束の移動が妨げられるため、エネルギー損失が減少します。この研究結果は、ナノスケール超電導電子デバイスの将来の開発にとって重要な指針となる重要な意味を持ちます。
この研究は、国際的に権威のある学術誌「米国科学アカデミー紀要」Proc国立アカド。 Sci、114、E10274 (2017)、doi:101073/pnas1619550114、論文リンク。
