第二类超导体中量子化磁通的运动行为对超导材料和器件的电磁输运性质起着关键作用。人为调控超导磁通量子的运动行为，不但可以有效提高超导体的临界电流密度，还可实现具有新功能的超导电子器件，如超导磁通整流器、磁通二极管等。以往的磁通量子调控手段往往缺乏原位可调性，极大限制了相应超导电子器件的应用。近日，南京大学吴培亨院士领导的超导电子学研究所王永磊教授和王华兵教授研究团队设计出了一种可调控的新型人工自旋冰与超导异质结构器件，不但实现了超导电性的原位开关，还实现了可开关和可反转的磁通霍尔效应。
人工自旋冰是具有集体相互作用的纳米小磁体阵列，其特殊的几何排列使得系统具有很高的简并度、新奇的低能激发态（如磁单极子）、丰富的相变和磁畴。近年来该团队致力于人工自旋冰和超导纳米结构器件等方面的研究，不但设计出了可擦写的人工自旋冰[S cience 352, 962 (2016) ]，并且于国际上首次设计和制备出了人工自旋冰与超导的异质结构器件，实现了可调控的超导磁通阻挫效应和磁通整流效应[Nature Nanotechnology 13, 560 (2018) ， 南 京 大 学 新闻 网 ]。近日该团队又设计出了一种基于风车型人工自旋冰与超导的异质结构器件（图一），利用风车型人工自旋冰易于调控的链条状磁荷结构，以及磁荷与超导磁通量子间的强耦合作用，实现了对超导磁通运动的原位操控，展示了超导零电阻态与耗散态之间的原位开关，同时实现了可编程的磁通霍尔效应。

图一. 风车型人工自旋冰与超导异质结构器件中实现可开关的超导电性与可编程的超导磁通霍尔效应
Nano Letters 20, 8933 (2020)
该项工作近日以"Reconfigurable Pinwheel Artificial-Spin-Ice and Superconductor Hybrid Device"为题发表在《Nano Letters》上[Nano Letters 20 , 8933 (2020) ]。我校电子学院博士生吕阳阳和圣母大学马啸宇博士为该论文共同第一作者，南京大学电子学院王永磊教授、王华兵教授和美国阿贡国家实验室/北伊利诺伊大学肖志力教授为论文的共同通讯作者。吴培亨院士、美国阿贡国家实验室Wai-Kwong Kwok教授、徐璟、Ralu Divan、John Pearson、圣母大学Boldizsar Janko教授和电子学院董思宁研究员等在样品制备、实验测量、模拟计算和文章撰写等方面做出了重要贡献。南京大学为论文第一单位。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省双创计划和团队、南京紫金山实验室的支持。


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