通过定制的超材料损耗实现高临界温度（High-Tc）超导电感器

《Advanced Optical Materials》：High-Tc Superinductors Through Tailored Metamaterial Losses

高温超导metamaterials太赫兹频段超电感特性及损耗机制研究。通过25nm和50nm YBCO薄膜LC分环谐振器，结合THz-TDS和耦合模理论，建立洛伦兹拟合函数分析辐射与欧姆损耗。发现辐射损耗与超导薄膜电导率相关，欧姆损耗与伦敦穿透深度相关，优化两者平衡是实现超电感的必要条件，为量子计算等应用提供新设计框架。

　　近年来，随着超导材料和微波器件技术的发展，超导体在高频电子学和量子计算领域展现出巨大的潜力。特别是高临界温度超导体（High-Tc superconductors）因其能够在相对较高的温度下保持超导特性，为构建高性能的超导元件提供了新的可能性。在这一背景下，研究人员探索了一种利用高临界温度超导材料——如钇钡铜氧（YBCO）的超导性来实现“超感抗”（superinductance）的策略。超感抗是一种特殊的电感现象，其阻抗远高于量子电阻（约6.47 kΩ），这使得它在量子计算和高频电子设备中具有独特的应用价值。

超感抗的核心在于超导材料中 Cooper 对的低损耗运动特性，即所谓的“动能感抗”（kinetic inductance）。在传统超导体中，如铝，由于其临界温度较低（约1.2 K），通常只能在极低温下工作，这在实际应用中存在显著限制。而高临界温度超导材料，如 YBCO，其临界温度可达约90 K，这意味着它们可以在更宽的温度范围内保持超导性，从而扩展了超导元件的应用场景。然而，尽管 YBCO 具有较高的临界温度，其在太赫兹频率下的超感抗仍受到多种损耗机制的制约，特别是电阻性损耗和辐射性损耗。因此，如何在保持超感抗的同时有效控制这些损耗，成为研究的关键。

在本研究中，科学家们利用 YBCO 薄膜制备了两种不同厚度（25 nm 和 50 nm）的 LC 分裂环谐振器，并通过实验和数值模拟分析了其在太赫兹频段下的损耗特性。实验结果表明，随着温度的升高，谐振频率向更低频率偏移，同时谐振幅度减弱，这反映了电阻性损耗的增加。研究人员进一步引入了耦合模理论（coupled-mode theory）中的洛伦兹函数（Lorentzian function）作为拟合函数，用于分离和量化谐振器中的辐射损耗和电阻性损耗。通过对实验数据的拟合，他们发现这两种损耗在不同厚度的 YBCO 薄膜中表现出不同的行为。

对于 25 nm 厚的 YBCO 薄膜，研究发现其在低温下（低于 38 K）表现出部分电阻性损耗，这与较大的动能感抗相关。这种电阻性损耗来源于 Pearl 环涡流（Pearl vortices）的增强屏蔽电流，这些电流有效地限制了 Cooper 对的传输路径，从而增加了材料的内部损耗。而 50 nm 厚的 YBCO 薄膜则表现出更高的辐射性损耗比例（超过 90%），这表明其在太赫兹频段下更接近理想状态，即具有较低的电阻性损耗，且动能感抗对整体阻抗的贡献较小。这一发现为设计具有优化损耗特性的超导元件提供了重要的指导。

研究还揭示了 YBCO 薄膜的厚度对其损耗行为的影响。通过分析 YBCO 薄膜的复数电导率（complex conductivity），研究人员发现，随着温度的降低，薄膜的电导率逐渐减小，这与 Cooper 对密度的增加有关。同时，伦敦穿透深度（London penetration depth）随温度变化呈现出非线性关系，其指数参数 α 在 25 nm 和 50 nm 的 YBCO 薄膜中分别为 2.46 和 2.5，这些值与 YBCO 的典型物理特性一致。这表明，YBCO 薄膜的厚度不仅影响其电导率，还对动能感抗的大小和损耗特性产生深远影响。

此外，研究还发现，辐射性损耗与 YBCO 薄膜的电导率密切相关。通过将辐射性损耗参数 Γ_rad 表达为电导率的函数，科学家们提出了一种新的设计思路，即通过优化材料的电导率来控制辐射性损耗，从而实现超感抗的稳定。这一思路为未来基于 YBCO 的超导元件设计提供了理论支持，特别是在量子计算、太赫兹波探测器以及高频率电子器件等领域的应用。

在实验方面，研究团队采用了一种精密的太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术来测量样品的透射率。他们使用了 ZnTe 晶体作为太赫兹波的产生和检测装置，并通过光刻技术制备了 LC 分裂环谐振器。在低温环境下（约 5 K），样品表现出良好的超导特性，其谐振频率和透射率数据与理论模型高度吻合。通过这些实验数据，研究人员能够进一步验证他们的损耗模型，并探索如何通过调整材料厚度和结构来优化超感抗的性能。

本研究不仅深化了对高临界温度超导材料在太赫兹频段下损耗机制的理解，还为未来超导元件的设计提供了重要的理论依据。通过结合电路工程和材料科学，科学家们提出了一种基于损耗优化的超导电感设计方法，这有望推动量子计算、太赫兹波探测和高频电子器件的发展。此外，该研究也为超导材料在高温环境下的应用提供了新的可能性，尤其是在需要高稳定性和低损耗的复杂系统中。

综上所述，这项研究通过系统分析高临界温度超导材料在太赫兹频段下的损耗特性，揭示了其在超感抗实现中的关键作用。研究结果表明，不同厚度的 YBCO 薄膜在损耗行为上存在显著差异，这为未来的超导元件设计提供了重要的指导。通过结合实验测量和理论建模，科学家们成功构建了一个基于损耗优化的超导电感设计框架，这不仅有助于提高器件的性能，还为实现更复杂和更小型化的量子电路提供了可能。随着研究的深入，基于高临界温度超导材料的超感抗技术有望在未来量子信息处理和高频电子学中发挥更加重要的作用。