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看电磁波与电流的关系
观察超导体中的快速涡旋运动
2024年7月19日??物理17日,117年
一项新技术揭示了振荡漩涡的高速轨迹,并表明它们比预期的轻1万倍。
陷入了漩涡。许多超导体在遇到足够强的磁场或携带足够大的稳定电流时,会形成电流漩涡(由水的图像所示)。了解和控制这些物体的运动是增加超导器件电流的关键。
在许多超导体中,施加足够强的磁场会使超导电子产生电流漩涡,这些漩涡可以与稳定的电流一起被吸引。为了更多地了解这些漩涡是如何运动的,研究人员现在已经将它们的轨迹可视化,在这种情况下,它们被驱动在近太赫兹频率上振荡[1]。他们在皮秒的时间尺度上观察了涡旋的运动,发现在这种条件下,涡旋的有效质量比预期的少了1万倍。这一结果可能对改进大电流超导器件的努力具有重要意义。
超导体在其超导性被破坏之前只能输出一定最大值的电流,这是大电流器件发展的一个重要问题。许多研究人员认为涡旋——即使在没有外部磁场的情况下也能形成——是这种所谓的电流感应猝灭的来源。但是,要确定涡旋是如何引起猝灭的,需要对涡旋有更好的了解,从而更好地测量它们的运动。
几年前,东京大学的SachikoNakamura和她的同事开发了一种检测普通超导体氮化铌中的涡旋运动的技术[2]。在这项技术中,电流被注入到一个超导体薄膜中以产生涡流,然后薄膜被红外线脉冲照射。从薄膜的远端产生的脉冲被分析,在中村的实验中发现它包含一个频率是输入的两倍的分量(二次谐波)。研究小组将二次谐波的存在归因于一维涡旋振荡。
美国中村?etal。[?1]
凝视着漩涡。上图:在线圈提供的外部磁场存在下,超导薄膜(灰色)中形成涡流。磁场在薄膜(粉红色)中产生屏蔽电流。通过超导薄膜传输的红外脉冲提供了有关涡旋的速度、质量和位置的信息。下图:红外脉冲大约9皮秒内的涡旋轨迹。颜色表示时间,从黄色(最早时间)到黑色(最晚时间)不等。该轨迹的水平范围约为1μm,而垂直尺度拉伸后,其范围仅为0.1μm左右。
Nakamura和她的同事们现在已经开发了他们的技术来测量二维涡旋运动,这次是在铁基超导体FeSe0.5Te0.5或FST中。研究人员制作了38纳米厚的FST薄膜,并将其冷却到超导转变温度(16.5K)以下,然后用线圈产生磁场,在薄膜中产生涡流。此外,磁场还会产生屏蔽电流,在薄膜上形成一个直径几毫米的圆圈。
研究人员用20皮秒的红外脉冲(0.3太赫兹)照射薄膜,并在样品中出现的脉冲光谱中检测到二次谐波,就像之前的实验一样。但在这里,他们检测到了发射光的两种偏振,平行于入射脉冲的偏振和垂直于入射脉冲的偏振。
使用大约1毫米宽的光束,他们探测了场感应屏蔽电流环附近的区域,然后分析了传输波形,以重建位于该位置的典型涡流的运动。研究小组发现了一条振荡的、大致呈抛物线的轨迹,而不是一条直线。这种形状是由具有磁性的涡流和屏蔽电流之间的相互作用造成的。中村说,发现这种运动是这项工作中最令人兴奋的部分。“感觉就像我们直接看到了漩涡的二维运动。”
APS/阿兰Stonebraker;S.Nakamura/东京大学
遗漏了什么东西?在超导薄膜中移动的漩涡(橙色)将原本包含在其核心的大部分自由电子(蓝色)抛在后面,使其比预期的轻1万倍。
数据显示,这些涡旋的移动速度高达300公里/秒,比预测的要快得多。在日本京都大学研究太赫兹技术的ItsuhiroKakeya说,根据其惯性测量的有效涡旋质量与预期相差甚远。“涡旋的质量一直被认为相当于1万个自由电子,但这些结果表明,它与(单个)自由电子的量级相同,这是一个令人惊讶的说法,”他说。这一发现支持了一种观点,即一个快速振荡的漩涡会留下许多原本被困在其中的非超导电子。Nakamura指出,这种情况意味着涡旋理论应该独立于相关的非超导电子来处理涡旋运动。
根据Kakeya的说法,在皮秒时间尺度上可视化超导涡旋的运动是一项非常重要的成就。在德国多特蒙德工业大学研究相关量子材料的王哲对此表示赞同。“太赫兹二次谐波的产生在文献中并不经常被报道,”他说。这项新研究不仅在一类新的超导体中报道了这种现象,而且还用它来研究涡旋动力学和特性。“由于其他实验方法已经观察到这种材料的独特性质,我们期望它们与这个小漩涡质量的关系将被阐明,”Kakeya说。
看了文章:
红外线是电磁波,电磁波能够影响电流。电磁波是带电物质变化形成的,是电磁物质的波动。电流也是电磁物质的波动和流动,只是形式不同。
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