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研究背景

超導(dǎo)材料因其獨(dú)特的電學(xué)特性，成為了量子技術(shù)和微納米電路研究的熱點(diǎn)。尤其是在量子計(jì)算和高頻傳感器等領(lǐng)域，超導(dǎo)材料具有零直流電阻、低內(nèi)損耗以及高阻抗等優(yōu)點(diǎn)。

然而，傳統(tǒng)幾何形狀的電感器由于固有電容的限制，無法達(dá)到所需的超電感特性，其總回路阻抗被限制在小于量子電阻的值，限制了其應(yīng)用潛力。因此，超導(dǎo)材料的動(dòng)能電感成為解決這一問題的關(guān)鍵。

成果簡介

為了克服這些限制，南洋理工大學(xué)Yogesh Kumar Srivastava， Ranjan Singh等在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“YBa₂Cu₃O₇ as a high-temperature superinductor”的最新論文。科學(xué)家們提出通過在超導(dǎo)薄膜中引入Pearl電感（Pearl inductance）來增強(qiáng)動(dòng)能電感，從而實(shí)現(xiàn)超電感。Pearl電感源于超導(dǎo)薄膜中渦旋屏蔽電流的擴(kuò)展，這種電流的衰減速度比倫敦穿透深度 λL 更慢，能夠有效提高電感特性。

研究表明，超薄高超導(dǎo)臨界溫度（Tc）YBCO 薄膜可以在Pearl長度尺度上實(shí)現(xiàn)大幅度的動(dòng)能電感增強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太赫茲頻率下的超電感。這些新型超導(dǎo)材料展示了超過量子電阻限制的阻抗，為量子設(shè)備、傳感器以及基于動(dòng)能電感的光子探測器的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次通過工程化超薄YBCO超導(dǎo)薄膜，觀察到了Pearl電感（Pearl inductance）引起的太赫茲超電感現(xiàn)象。通過在厚度為λL/7的超薄超導(dǎo)薄膜中實(shí)現(xiàn)Pearl電感，成功擴(kuò)展了渦旋屏蔽超電流的范圍，從λL延伸至14λL。

（2）實(shí)驗(yàn)通過開發(fā)用于超電感表征的電路模型，揭示了該超薄超導(dǎo)材料的阻抗超過量子電阻RQ（6.47kΩ）33%。該設(shè)備在25nm和35nm厚度的超導(dǎo)薄膜中分別表現(xiàn)出8.6kΩ和7.2kΩ的高阻抗，突破了傳統(tǒng)約束，達(dá)到了太赫茲頻段的超電感。

（3）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步通過光脈沖照射25nm厚YBCO超導(dǎo)薄膜，發(fā)現(xiàn)超快時(shí)間尺度（7ps）下，通過動(dòng)態(tài)光學(xué)控制，成功調(diào)節(jié)了庫珀對(duì)密度，進(jìn)而調(diào)控了Pearl電感、動(dòng)能電感以及頻率靈活性，頻率變化達(dá)到76GHz。該研究為設(shè)計(jì)基于Pearl長度尺度的超導(dǎo)超材料共振器提供了新的路徑。

圖文解讀

圖1:載流超導(dǎo)SC薄膜中，珀?duì)朠earl長度和元器件設(shè)計(jì)。

圖2: 在YBCO元器件和超級(jí)電感中，珀?duì)朠earl電感驅(qū)動(dòng)的LC諧振位移。

圖3: 在超薄超導(dǎo)體器件中，珀?duì)朠earl長度在超電感出現(xiàn)中的作用。

圖4: 超材料器件共振頻率、珀?duì)朠earl長度和動(dòng)力學(xué)電感的超快光學(xué)控制。

結(jié)論展望

本文的研究為超導(dǎo)超材料在太赫茲頻段的應(yīng)用開辟了新的前景，尤其是在超電感和超導(dǎo)量子技術(shù)領(lǐng)域。通過精確調(diào)控超薄YBCO超導(dǎo)薄膜的幾何結(jié)構(gòu)，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了基于Pearl長度尺度的超電感效應(yīng)，突破了傳統(tǒng)超導(dǎo)電感的限制，達(dá)到了超高阻抗（超過量子電阻RQ）的太赫茲頻率。這一成果揭示了Pearl電感和超電感的新機(jī)制，尤其是在超導(dǎo)薄膜結(jié)構(gòu)化后的表現(xiàn)，挑戰(zhàn)了現(xiàn)有理論并帶來了新的物理理解。

此外，通過超快光學(xué)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)超電感的主動(dòng)調(diào)控，展示了該技術(shù)在量子傳感、超導(dǎo)計(jì)算、寬帶輻射探測等領(lǐng)域的巨大潛力。該研究不僅推動(dòng)了超導(dǎo)材料在量子信息技術(shù)中的應(yīng)用，還為設(shè)計(jì)更小型、更高效的超電感器件提供了創(chuàng)新思路。通過結(jié)構(gòu)化超導(dǎo)薄膜，研究者能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率、更強(qiáng)功能的超導(dǎo)元件，為下一代量子傳感器和量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

Srivastava, Y.K., Pang, T.C.I., Gupta, M. et al. YBa2Cu3O7 as a high-temperature superinductor. Nat. Mater. (2025).

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