双连通和单连通准一维超导体系的制备与量子相变的研究

探索低维超导系统的新量子现象一直是凝聚态物理研究的重要方向。作为最近发展起来的一类很特别的低维量子体系，具有双连通结构的准一维超导体系具有独特的物理性能和丰富的科学内涵，已成为近年来国际上一个新的研究热点。但是，该类体系的量子相变机理、破坏性区域本质和相分离现象的起源等许多关键基础问题一直没能得到很好解决。在本研究中，我们从实验上重点探讨了以细长石英丝作为衬底的空心Al圆柱体在小直径（d<ξ(0)）时的超导电性、破坏区附近的各种量子相变性质与相变机理，进而揭示准一维体系的量子相变机理和一些可能的新实验现象。. 我们成功制备出了直径与超导相干长度相似或更小的双连通准一维Al超导圆柱体，并借助SEM和TEM等手段对其表面形貌、微结构和直径均匀性进行了详细表征。然后，我们采用标准的四电极测量法，重点研究了该双连通准一维Al超导体中的量子相变现象。结果发现，在Φ=±1/2Φ0处确实存在电阻峰值，即验证了由于长程量子相位相干破坏而出现的超导破坏区现象。更重要的是，在量子临界点附近从超导相到正常相转变的过程中，我们不仅观测到了理论所预言的相变经典区和中间区，而且还首次成功观测到了理论所预言的相变量子区，即：样品电阻在温度低于30mK时会随着温度的降低而逐渐增加的新奇量子现象。我们还发现微小垂直磁场的引入会使得上述相变量子区变得更加明显。另一方面，我们还系统研究了五种不同壁厚的双连通Al圆柱体的超导性质。结果表明：随着样品壁厚的逐渐从40nm减小到10nm，其超导转变温度逐渐增加至1.68K，其超导转变的临界磁场（Hc2）也变得越来越高。这主要是由样品的超导相干长度随着样品壁厚的减小而逐渐变小导致的。在不同壁厚样品的Hc-T相图中，对于壁厚较厚的样品（如40nm），Hc2明显正比于T2；而对于壁厚较薄的样品（如10nm），Hc2明显正比于T，这表明随着样品壁厚的逐渐减小，该双连通超导体系逐渐从准一维超导体系变为真正的一维超导体系。此外，我们还尝试采用硅纳米线进行更小直径的双连通Al超导圆柱体样品的制备实验研究，以及开展了由Al膜形成的约瑟夫森结组成的超导量子比特方面的相关研究。