纳米结构超导体中人工涡旋冰的设计和研究

Recently, the study of artificial spin ice has attracted much interest due to the advantage in studying geometric frustration and the potential ability in data storage and computation. However, the relative weak interactions between nano magnets and large degenerate states make the system difficult to reach the ground state with long-range order, thus limit the further study of the ice system. The recently proposed vortex ice system, which is designed based on the vortex matter in nanostructured superconductors, provides a new platform for the study of frustration. In this project, we will design and fabricate a series of nanostructured superconductor with geometric frustration by introducing periodic artificial pinning centers to the superconductors. By using the scanning Hall probe microscopy to directly image vortex matter in vortex ice systems, the following items will be studied: the emergence and evolution of long-range ground state and the excitations in vortex ice systems with different geometric frustration; the possibility to tune various states by using external magnetic field, temperature and current. The results will be compared with traditional artificial spin ice systems in order to find the difference and advantages of the new vortex ice. We hope that, by studying this project, we could provide direct experimental evidence for this new artificial ice system.

近年来，由于在结构阻挫研究方面的优势以及在新型数据存储和计算技术方面的巨大潜力，以纳米磁体为结构单元的人工自旋冰的设计和研究成为关注的热点。然而纳米磁体之间较弱的相互作用以及大量简并态的存在使得人工自旋冰体系很难达到大尺度范围的有序基态分布，从而限制了该体系的深入研究。基于超导磁通涡旋物质设计的人工涡旋冰为阻挫体系的研究提供了新的平台。本项目将通过在超导体中引入周期性排列的人工钉扎源，设计并制备一系列具有结构阻挫的纳米结构超导体。利用扫描霍尔显微镜对具有不同结构阻挫的涡旋冰进行成像，通过外磁场、温度、电流等参数来调控涡旋之间的相互作用，探寻涡旋冰基态的长程有序结构，研究激发态的种类以及其产生、演变等机制。以传统的人工自旋冰和新型的人工涡旋冰之间的关系为主，深入探讨该新型人工涡旋冰的异同点和优缺点。预期为该新型人工涡旋冰体系成像方面的研究提供直接的实验证据。

具有结构阻挫的人工冰体系展现出极为丰富的物理现象，在基础研究以及未来的信息存储等领域具有重要的科研和应用价值。然而，当前人工冰主要的研究对象是基于纳米磁体设计的周期性阵列。由于纳米磁体间较弱的相互作用，限制了人工冰的深入研究。为了克服当前研究体系中存在的局限，我们基于超导体磁通涡旋物质间的相互作用设计并制作了人工涡旋冰结构。本项目中，我们首先利用电子束刻蚀的方法在超导体薄膜内部引入多种不同形状、尺寸的人工孔洞。研究了人工孔洞对磁通涡旋的钉扎能力，涡旋磁场分布，及其随外磁场和温度等的变化规律。并将相关结果与未被钉扎的涡旋进行了对比和分析，确定出了影响人工孔洞钉扎能力主要因素。随后，我们利用成对的人工孔洞作为一个结构单元，将其排列成Kagome结构，制备出了具有结构阻挫的涡旋冰。利用低温扫描霍尔探针显微镜，对不同磁场下的涡旋冰基态、激发态结构进行了实空间的成像研究，并对不同状态的顶点结构进行了统计分析。研究显示， kagome涡旋冰结构在0.7倍匹配场下ice-pair的数量达到了最大值。这一点不同于理论预期的0.5倍匹配场。实验结果表明这主要是由于间隙涡旋产生所导致的。进一步研究显示，间隙涡旋的产生可以使kagome涡旋冰在0.5-0.9倍的匹配场的大范围内保持大部分顶点符合冰规则的稳定结构。这在某种程度上将有利于涡旋冰结构的稳定和潜在的应用。我们进一步利用各向异性的单个人工孔洞作为结构单元设计了新型的方形涡旋冰周期性结构，并对其涡旋结构随外场的变化做了细致研究。研究发现，该体系中并未出现间隙涡旋，符合冰规则的结构在0.5倍匹配场达到最大值，与理论预期相符。此外，该体系中发现了类似人工自旋冰中的局部基态的长程序结构以及由较高能量顶点组成的畴壁结构。相关研究结果为设计新型的涡旋冰结构提供了重要的指导方向。