铜酸盐/锰酸盐异质结构中电子噪声整流引发的自发电压与持续电流研究

研究人员针对非互易输运现象，通过构建YBa2Cu3O7(YBCO)/Nd0.65(Ca0.7Sr0.3)0.35MnO3(NCSMO)多层结构，首次实现了环境电磁波动至直流电压的高效整流，产生高达80 mV的自发电压(SpV)及持续电流(SpC)。该研究揭示了极性电荷有序相与非极性铁磁相竞争形成的棘轮势机制，为宽温区能量收集和多功能存储器设计提供了新思路。

　　

在追求绿色能源与智能器件的时代，如何将环境中无处不在的电磁噪声转化为可用电能，一直是科学界的难题。传统基于热梯度或超导临界场的能量收集技术存在效率低、温区窄等局限。更令人困扰的是，多数非互易输运现象需要打破时间反演对称性，严重限制了实际应用场景。瑞士弗里堡大学Christian Bernhard团队与多国合作者另辟蹊径，通过精巧设计铜酸盐/锰酸盐异质结构，意外发现了无需外场即可产生大电压的新物理效应。

研究团队采用脉冲激光沉积(PLD)技术制备了[NCSMO(10 nm)/YBCO(7 nm)]₁₀超晶格，通过X射线衍射(XRD)证实了界面锐利的异质外延生长。电输运测试发现，该体系在120 K以下自发产生直流电压(SpV)，并在80 K附近突增至80 mV，远超传统热电效应预期。更惊人的是，这种SpV能驱动外部电路产生数百皮安的持续电流(SpC)，且可在6 K下稳定维持数小时。

关键方法

1. 脉冲激光沉积制备超晶格；
2. 四探针法测量自发电压与电流；
3. 超导量子干涉仪(SQUID)表征磁学性质；
4. 外部噪声源与交流输运验证整流机制；
5. 厚度梯度样品分析电场屏蔽效应。

研究结果

磁性超导转变
超晶格呈现T_c≈80 K的超导转变和T_Curie≈110-120 K的弱铁磁转变。值得注意的是，9 T磁场下超导态仍保持稳定，而铁磁相体积分数随磁场增至1.7 μ_B/Mn。

SpV温度依赖性
SpV在120 K初现，随温度降低呈阶梯式增长，80 K以下出现符号反转。这种反常行为与NCSMO中电荷有序相(AF-COO)和铁磁相(FM)的竞争密切相关。

磁场调控效应
2-4 T磁场引发SpV幅值与符号的突变，50-80 K区间呈现0.5-0.8 T的矫顽场。部分磁滞回线实验证实了SpV的可编程记忆效应，这种特性在90 K以上消失，表明低温下存在类玻璃态冻结。

接触类型影响
线接触SpV达80 mV且伴随突变，而点接触仅8 mV但更稳定。前者可能通过天线效应增强微波噪声耦合，后者则因直接连通YBCO层而减弱充电效应。

厚度效应
YBCO厚度d与SpV呈指数衰减关系(拟合长度l^sc≈4.7 nm)，证实部分屏蔽的极性电场是SpV产生的关键。

讨论与意义
该研究首次在非超导体系中实现宽温区(>100 K)大SpV输出，其核心在于NCSMO中AF-COO相极性畴壁与FM相非极性区域形成的空间不对称势场。当环境电磁波动驱动载流子时，棘轮势导致净单向流动，产生直流电压。YBCO层的部分屏蔽特性(l^sc远超托马斯-费米长度)揭示了铜氧化物对正电荷屏蔽能力的特殊性，这对理解界面超导调控具有重要意义。

这项成果不仅为环境能量收集提供了新材料平台，其磁场/电流/辐射多响应特性更推动了新型存储器开发。文中揭示的极性-非极性相竞争机制，为复杂氧化物异质界面研究开辟了新视角。未来通过缺陷工程优化畴结构，有望进一步提升SpV效率并拓展应用场景。