震惊!电阻还有负的?《ACS Nano》:超导纳米纱线!

2020-06-04 05:01 admin

超导是先进技术中一个很著名的物理现象,超导体经常制成导线的形状应用在不同领域。但是,超导线通常不易弯曲,同时,由于导线的结构复杂,超导材料在超导线中的比例不是很高。碳纳米管(CNT)在超导领域的研究已经很广泛,韩国成均馆大学的Dongseok Suh教授和釜山国立大学的Haeyong Kang教授等近日报道了一种在排列整齐的CNT模板上喷射沉积氮化铌(NbN)制成的扭曲超导纳米纱线中不同寻常的绝对负阻现象。该研究成果以”Anomalous Negative Resistance Phenomena in Twisted Superconducting Nanowire Yarns” 为题发表在《ACS NANO》上(见文后原文链接)。

解析: 由自支撑的CNT作为模板,喷射沉积NbN制备出NbN-CNT杂化膜,在经过扭曲成超导纱线,展现出类似于块体材料的超导性能,而且机械柔性显著增强。在以下内容中,有两个参数来描述样品的条件:一是用N SHEET 表示堆积的CNT的数量,另一个是t NbN 来表示NbN薄膜的公称厚度。

解析: 根据N SHEET = 10,t NBN = 200 nm时NbNCNT纱线的超导现象研究发现,大约在10K温度下发生超导转变,在超导转变区域中观察到了绝对负阻现象。而且,这种变化取决于施加在样品上的驱动电流。例如,从温度7 K时的I-V曲线看出低电流时表现出绝对负电阻性,6K时出现一个更广泛的零电阻超导状态。

图3. 利用等效电路模型分析负阻条件。(a)线电阻测量的典型四探针结构图。(b)四探针接触在高度有序排列的NbN CNT 纳米线上的示意图。(c)简化的(b)中的等效电路模型。(d)NbNCNT 纳米纤维经扭曲制成的纱线。(e)负电阻现象的四探针测量图。

解析:四探针法经常用于精确测量具有线形状的材料电阻,电流在I + 和I - 之间流动,电压差在V + 和V - 之间测量(图3a)。以类似的方式,如果样品是由一组沿一个方向排列的微小导线组成,则可以使用图3b中所示的配置进行电阻测量,其中四个电极的连接方向垂直于微小导线阵列的方向。定量分析时可以使用图3c中的等效电路模型来简化整个系统。扭曲的超导纱线主要由两部分组成,即CNT-NbN和CNT,这两部分在纱线中交替出现(图3d)。图3e详细显示了负阻时的原理。在超导状态下,沿NbN纳米线方向,I + (I - )和V - (V + )探头间的电压差可以为零(RN = 0)。但是,由于R C 的有限值,使得I + (I - )与V + (V - )之间不可能为零,这就导致了V + 与V - 之间的负电压差。

作者报道了一种在高度有序的碳纳米管基的氮化铌超导扭曲纱线上观察到的绝对负电阻现象。基于简单电路模型的分析结果表明,由于NbN-CNT杂化超导纱线的捻度特性, 在特定的四探针测量中可以得到负的电阻值。这一发现并不意味着负电阻传输真的发生在单根超导纳米线中,然而,沿着CNT-NbN方向的超导态和正常的金属态共存现象可以证明扭曲纱线的横截面上等位线的假设是无效的。这种分析负电阻的经典方法不仅适用于与超导有关的材料,而且有望于解释四探针测量中的各种异常电阻数据。

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