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基于扫描nano-SQUID显微镜面向超导电子器件中磁通涡旋动力学的研究

批准号:
62071458
项目类别:
面上项目
资助金额:
56.0 万元
负责人:
陈垒
学科分类:
物理电子学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈垒

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
超导电子器件中的磁通量子涡旋vortex的分布与运动规律是一个长期悬而未决的谜团,这些“看不到”的磁通量子涡旋vortex逐渐成为超导电子器件性能再上一个台阶的主要限制因素。利用扫描nano-SQUID显微镜技术能够直接观测到vortex的分布和运动轨迹,从而为我们打开了一扇通往超导vortex动力学研究的新大门。目前,申请人已经初步验证了利用扫描nano-SQUID显微镜对超导电路中vortex成像的可行性,因此本项目拟采用扫描nano-SQUID显微镜技术研究超导电子器件中vortex动力学,通过(1)进一步发展面向vortex成像的高分辨率nano-SQUID探针制备工艺;(2)对超导电路中vortex的形成、分布以及运动规律进行直观成像研究;(3)探索vortex、超导电流与电路缺陷之间内在影响机制;为排除vortex的干扰进一步提高超导电子器件性能提供可能的解决方案。
英文摘要
The formation and distribution of flux quanta vortex have been a long-term puzzle in the superconducting electronic device. These “invisible” vortex has become the leading factor that restricts the further improvement in the performance of many superconducting electronic devices. The scanning nano-SQUID microscope enables the direct imaging of the distribution and movement of the vortex, and it opens a new window to study the vortex dynamic in the superconducting electronic devices. Recently, we have just achieved the initial imaging of vortex inside the superconducting circuits. Therefore, we propose to study the vortex dynamics in the superconducting electronic devices by scanning nano-SQUID microscope. By working on the following aspects: 1. Fabrication of high-resolution nano-SQUID probe tip, 2. Direct imaging on the formation, distribution and movement of vortex, 3. Searching inner correlation between the vortex, superconducting current and defects, we hope to find possible solutions to exclude the disturbance of vortex on the performance of superconducting electronics.
扫描SQUID显微镜是一种新型具有极高灵敏度的低温微观磁成像手段,本研究的核心目标是实现高性能的扫描SQUID探针器件批量制备,提升单个涡旋(vortex)成像的空间分辨率;同时深入探索超导电路中涡旋的形成与分布规律,并阐明其对超导电路性能的影响机制。本研究在超导纳米桥结(NBJ)的电流相位关系(CPR)模型、扫描SQUID显微镜探针研发以及超导涡旋成像技术等方面取得了重要进展,为超导电子学的发展提供了理论和技术支持。首先,我们建立了纳米桥结电流相位关系的修正模型。通过测量和计算3D超导纳米桥结(NBJ)的临界电流相位关系(CPR),发现CPR的变化可以通过偏斜度Δθ = 2πI0Lj/Ф0量化,其中I0为临界电流,Lj为等效电感。研究发现,随着NBJ宽度和厚度的缩放,Δθ随I0增加而增加,且与Lj的减小略有关联。测量与计算结果吻合良好,揭示了CPR在1D到3D扩展中的偏差规律。基于此,我们构建了网状设计参考参数图,为高性能的nanoSQUID器件设计奠定了理论基础。其次,我们发现了电压调控纳米桥结临界电流的现象。开发了一种基于3D铌纳米桥结的栅极可调约瑟夫森结结构,其临界电流(Ic)可通过栅极电压(Vg)调控至零,临界栅极电压Vgc低至16 V。研究表明,Vg与栅极到桥结的距离正相关,为扫描SQUID显微镜探针的原位进针提供了新思路:通过施加电压并监测电流,可精确控制探针与样品表面的距离。在探针研发方面,我们开发了基于氮化铌(NbN)的双通道nano-SQUID探针。由于NbN的临界温度高达18 K,该探针可在8 K以上工作,实现对128 K以下样品的磁性成像。采用双通道差分读出方案,有效减少了背景磁场的干扰,空间分辨率在形貌和电流成像中分别达到1微米和2微米。通过测试YBCO薄膜中的超导涡旋分布,验证了该探针在宽温区和磁场范围内的优势。最后,在超导涡旋成像技术方面,我们实现了工况下SIS结周围的超导涡旋分布状态的成像测试。测试表明,涡旋密度与临界电流(Ic)直接相关,涡旋聚集会导致Ic显著下降。进一步研究发现,旁路电阻产生的焦耳热是涡旋聚集的主要原因,局部温升引发器件性能的不可逆退化。这一发现为超导器件的热管理设计提供了重要依据。与传统电学测量相比,磁通成像技术可直接观测涡旋动力学,为超导器件的性能优化提供了全新手段。
研究纳米超导量子干涉器件中的磁通噪声起源
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