人工自旋冰对超导电性的原位调控

One of the most significant advantages of a superconducting electronic device is its ultralow energy dissipation. The device’s performance is usually determined by the electrical transport properties of the superconducting materials. This proposal aims to establish a new front research to realize reconfigurable superconductivity by designing hybrid structures between an artificial spin ice and a superconductor. We will investigate the magnetic interactions between the spins/charges in the artificial spin ice and the vortices in the superconductor. By combining low temperature transport measurement, magnetic force microscopy imaging, micromagnetic simulation and molecular dynamic simulation, we will conduct systematic investigations of the transport properties in the hybrid device under various controlling parameters, such as temperatures, magnetic fields and AC/DC currents. We will achieve reconfigurable superconducting critical currents, switchable vortex rectification effects and tunable vortex Hall effects, which will foster both fundamental investigations and device applications.

以超导材料为载体的超导电子学器件具有天然超低功耗的优势，其器件性能与超导材料的电输运性质密切相关。超导材料的电学性质基本上由其内部超导磁通的运动行为来决定。基于对超导磁通运动机理的深入了解，本项目拟通过设计和制备人工自旋冰/超导器件，利用超导磁通与人工自旋冰的磁相互作用，以及人工自旋冰磁结构的原位可调性，来实现纳米尺度上超导电性的人工“原位”调控。通过低温电输运测量和磁力显微镜成像，结合微磁模拟和磁通分子动力学模拟，系统研究人工自旋冰/超导器件在不同温度、磁场、直流和交流电驱动下的电输运性质，实现可调控的超导临界电流密度、整流效应和霍尔效应等电学性质，为开发新型超导电子学器件提供科学依据和技术基础。

本项目我们通过设计和制备人工自旋冰/超导异质结构器件，利用超导磁通与人工自旋冰的磁相互作用，以及人工自旋冰磁结构的原位可调性，来实现纳米尺度上超导电性的人工"原位"调控。我们设计了两种新型人工自旋冰，制备了三种新型人工自旋冰和超导异质结构器件，以及一种人工自旋冰和高温超导异质结构器件。通过低温电输运测量和磁力显微镜成像，结合微磁模拟和磁通分子动力学模拟，并对器件的物性进行了系统研究。我们成功实现了可原位调控的超导临界电流、超导磁通霍尔效应，以及实现了高温超导电性的原位调控。同时，在合金超导薄膜上制备并设计了保角变换的纳米空洞阵列，实现了可编程的超导二极管。这些工作不但开拓了人工自旋冰全新的应用方向，也为开发新型可编程超导电子学器件提供了新的原理和新的方法。