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于第II类超导体的磁通动力学的研究是一项富有挑战意义的工作,因为混合态的相图表明II类超导体有着极其丰富的行为。人们一直致力于研究磁通与本征或人工钉扎中心的相互作用。笔者研究了有着不同周期的孔洞阵列的不同类型的超导薄膜上的磁通动力学,主要结果如下:
(1)用电子束曝光(EBL)和反应离子刻蚀方法在NbN薄膜微桥上制备了方形孔洞阵列。通过测量有孔洞阵列的微桥在超导转变温度附近的磁电阻,发现磁电阻的最小值出现时的磁通数目为孔洞数的整数或分数倍。同时还研究了匹配效应(matching effect)对于温度和电流的依赖关系。
(2)“Hofstadter蝴蝶效应”(Hofstadterbutterfly)是指由子带和小能隙构成的被称为“Hofstadter蝴蝶”的不规则碎片型能量谱。它是由Hofstadter研究在一个二维周期场(Bloch电子)和一个不变的外加磁场的作用下的电子运动得到的理论结果。这一理论结果是在30年前得到的,但是相关Hofstadter蝴蝶效应的物理研究没有给出细致的研究结果。本论文中,利用在外加磁场下的Bloch电子与带有周期孔洞阵列的处于超导态的超导薄膜的相似性,发现一种可以解释Hofstadter蝴蝶效应的方法。证明了,当笔者仔细选择好相关的参数,比如:阵列孔洞的直径和周期,就可以观察到Hofstadter蝴蝶的相关特性。因为笔者实验所需的磁场仅为几百高斯,而非几百特斯拉,所以在本论文工作中,笔者给出了一条在常规实验设备上研究Hofstadter蝴蝶效应及相关物理的方法。有关Hofstadter物理对于Cooper对的行为起主导作用的预期区域,我们也给出了相应的理论指导。
(3)在具有周期孔洞阵列的Nb膜的磁电阻测量中,笔者观测到了场增强的超导和奇偶变化的磁通量子化。不同于惯常的预期,发现震荡周期从h/2e到h/e的转变,并且此转变发生在匹配数的奇数处。