皮秒电脉冲揭示II类超导体本征拆对电流

《Nature Physics》：Probing picosecond depairing currents in type-II superconductors

　　

获取II类超导体中的本征临界电流密度（critical current density，Jc）可为探测微观超导性质以及提升高磁场器件与电力系统中的电流极限提供途径。然而，采用直流（direct current，DC）测得的临界电流密度通常低于该本征极限，主要源于涡旋运动与自加热效应。研究人员表明，作用时间尺度短于涡旋运动时间的皮秒电脉冲可将超电流驱动至本征拆对极限。研究人员在代表s波与d波超导体的NbN与YBa2Cu3O7中探测了皮秒临界电流。在NbN中，研究人员发现皮秒拆对在约常规临界电流密度2.2倍处急剧起始，与基于BCS（Bardeen–Cooper–Schrieffer）理论的微观动力学一致。相比之下，YBa2Cu3O7随电流增大呈现超导态的逐渐抑制，反映其d波对称性。这些结果提供了超越常规输运测量能力的超导体探测手段。达到拆对电流也有望支撑更靠近本征电流极限运行的超导电子学。

研究背景方面，II类超导体因具有高于I类超导体的临界温度（critical temperature，T_c）而备受关注。其磁穿透深度（λ）大于超导相干长度（ξ），因而会形成磁涡旋。临界磁场分为下临界场H_c1与上临界场H_c2，热力学临界场H_c位于二者之间但因涡旋形成而无法实验直接访问。常规临界电流密度J_c由涡旋脱钉与洛伦兹力决定，强烈依赖材料缺陷密度与钉扎势，并非由微观超导参数决定的本征量。本征拆对电流密度J_c^*定义为准粒子能量移动?k_F·v_s等于超导能隙Δ时的电流密度，其中k_F为费米动量，v_s为库珀对速度；超过J_c^*后库珀对解离为正常载流子，因此J_c^*是材料本征属性并构成超电流根本上限。直流下超过J_c即出现涡旋进入与自加热，时间尺度为纳秒量级，样品在抵达J_c^*前已转入正常态，故直接输运测量J_c^*长期受限。该研究发表于《Nature Physics》，其意义在于绕过涡旋与热效应，提取II类超导体本征微观参数，并为超导电子学接近本征电流极限、产生超短强磁场脉冲提供平台。

关键技术方法方面，研究人员采用皮秒超快电输运平台：以515 nm飞秒激光触发偏置光电导开关，在共面波导中发射半高宽约2 ps的电流脉冲；用未偏置开关分别采样入射、反射与透射电场，借由E(t)×w=S×J(t)×Z₀将电场转为电流密度；样品为单晶NbN（约20 nm，T_c≈15 K，MgO衬底）与单晶YBCO（约50 nm，T_c≈85 K，蓝宝石加CeO₂缓冲层）薄膜；全程双磁屏蔽使环境场低于1 μT，零场冷却避免预存涡旋；结合BCS脏极限Usadel方程与含时金兹堡-朗道（time-dependent Ginzburg–Landau，tDGL）理论模拟拆对过程。

直流与皮秒电输运测量部分，研究人员先测NbN在7、8.5、10 K与YBCO在50、60 K的直流输运，得到常规J_c分别约100 GA m^-2与略低于50 GA m^-2。皮秒测量显示，NbN在7 K弱脉冲下透射约90%且反射呈动力学电感响应，20 K正常态下部分反射部分透射；7 K强脉冲（约6.5×J_c）响应接近20 K正常态，表明强皮秒电流可瞬时抑制超导态，疑似库珀对瞬时拆对。

本征拆对电流的观测部分，NbN在7 K的归一化透射峰值电场在超过J_c后维持，约2.2×J_c处陡降，随后缓变至20 K正常态曲线；透射峰值电流随入射峰值电流在强驱动下先降后以正常态斜率回升，出现局部极大，对应J_c^*≈220 GA m^-2。YBCO在50 K下归一化透射电峰随电流连续下降，透射-入射曲线斜率连续趋近110 K正常态，无局部极大；这说明d波中各动量方向能隙从节点零值到反节点极大值连续变化，不存在单一拆对阈值，而是随电流连续部分拆对。

讨论部分，研究人员排除脱钉涡旋主导：零场冷却与磁屏蔽使样品无预存涡旋；皮秒内涡旋位移仅数十纳米，远不足以贯穿宽约10 μm、长约30 μm桥区；NbN与YBCO响应差异指向能隙对称性而非涡旋电阻。单晶性被强调为观测域内拆对的前提，多晶中晶界相滑移会掩盖本征过程。温度上J_c比J_c^*下降更快，0.8T_c时前者小近一个量级。由v_s=Δ/(?k_F)=?/(πmξ)得J_c^*=2?e n_s/(πmξ)，代入n_s(T)、ξ(T)的计算与实验吻合，实测略低或源于热涨落使拆对早于能隙等号。BCS脏极限模拟可捕捉s波强非线性的陡降，tDGL仅近T_c有效故不能复现；BCS尾段偏差提示声子弛豫等通道需进一步理论处理。YBCO因铜氧化物平衡态微观理论尚不完整，仅以tDGL作定性模拟。

研究结论部分译为：总之，研究人员报道了超快电输运测量，其中绕过了涡旋运动与随之的自加热，从而能够提取II类超导体的本征微观性质。这里报道的发现还为探测光谱技术无法直接访问体系中的能隙对称性提供了途径。从应用角度看，结果进一步揭示了II类超导体中最大超电流可在皮秒时间尺度上实现，为产生超短强磁场脉冲提供了潜在平台。