《Nature Nanotechnology》報(bào)道王永磊教授及科研合作團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)可開關(guān)的幾何阻挫

當(dāng)一個(gè)多體系統(tǒng)中局域的競(jìng)爭(zhēng)相互作用與其微觀幾何構(gòu)型不匹配的時(shí)候,會(huì)在系統(tǒng)中形成海量的簡(jiǎn)并度，這種物理現(xiàn)象被稱為幾何阻挫（Geometric frustration）。我們生活中常見的冰（水的固態(tài)）中復(fù)雜的氫-氧原子排列就是由幾何阻挫現(xiàn)象引起的。但是由于冰中的幾何阻挫效應(yīng)是由晶體結(jié)構(gòu)（主要是氧原子的排列）決定的，其一旦形成就很難再改變。最近電子科學(xué)與工程學(xué)院、超導(dǎo)電子學(xué)研究所的王永磊教授其科研合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種由人工自旋冰和超導(dǎo)薄膜組成的新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，并在其上實(shí)現(xiàn)了可原位調(diào)節(jié)的幾何阻挫效應(yīng)（圖1）。該工作以“Switchable geometric frustration in an artificial-spin-ice-superconductor heterosystem”為題于2018年6月11日發(fā)表在納米研究領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Nature Nanotechnology》上。

這項(xiàng)工作主要利用了王永磊教授在一項(xiàng)先前工作中設(shè)計(jì)出的一種可以形成多種磁荷有序的人工自旋冰[Science 352, 962 (2016)]。人工自旋冰是許多具有相互作用的納米小磁體的集合，其中的正負(fù)磁荷可以和超導(dǎo)薄膜中量子化的磁通產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用。通過調(diào)節(jié)人工自旋冰中的磁荷結(jié)構(gòu)，可以對(duì)量子磁通的磁釘扎勢(shì)場(chǎng)的微觀幾何構(gòu)型進(jìn)行原位調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)量子磁通在幾何阻挫態(tài)和磁通晶體態(tài)之間的原位轉(zhuǎn)換（圖1）。通過開關(guān)量子磁通的幾何阻挫效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性的原位調(diào)控，從而設(shè)計(jì)出具有特定功能的超導(dǎo)電子學(xué)器件，如在該工作中演示的可開關(guān)和可逆的量子磁通二極管（圖2）。

這項(xiàng)研究是人工自旋冰和幾何阻挫研究領(lǐng)域上的一次重要突破，為設(shè)計(jì)和應(yīng)用可調(diào)控的幾何阻挫現(xiàn)象提供了全新思路，其中所展示的方法除了可以用來調(diào)節(jié)超導(dǎo)材料的性能以外，還可以推廣至其他電磁系統(tǒng)中。該研究工作的其他合作者包括美國圣母大學(xué)的馬嘯宇和Boldizsar Janko、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的徐璟、肖志力、Alexey Snezhko、Ralu Divan、Leonidas E. Ocola、John E. Pearson和Wai-Kwong Kwok。

相關(guān)論文：

Switchable geometric frustration in an artificial-spin-ice-superconductor hetero-system
Yong-Lei Wang, XiaoyuMa, Jing Xu, Zhi-Li Xiao, Alexey Snezhko, Ralu Divan, Leonidas E. Ocola, John E. Pearson, Boldizsar Janko and Wai-Kwong Kwok.
Nature Nanotechnology, (2018)https://doi.org/10.1038/s41565-018-0162-7

Rewritable artificial magnetic charge ice
Yong-Lei Wang, Zhi-Li Xiao, Alexey Snezhko, Jing Xu, Leonidas E. Ocola, Ralu Divan, John E. Pearson, George W. Crabtree, Wai-Kwong Kowk.
Science 352, 962 (2016)https://doi.org/10.1126/science.aad8037

（電子科學(xué)與工程學(xué)院 科學(xué)技術(shù)處）