第二类超导体在一定外磁场下会形成量子化的磁通涡旋，这些涡旋对超导体的输运性质有着深刻影响。最近，物理系张定/薛其坤研究团队在超薄高温超导铜氧化物中，系统研究了磁通涡旋的热激活行为和能斯特效应，发现涡旋对应的熵与超流密度的指数关系。该研究成果以“超薄欠掺杂铋锶钙铜氧超导的涡旋熵和超导涨落”（Vortex entropy and superconducting fluctuations in ultrathin underdoped Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x superconductor）为题在线发表在2024年6月6日的《自然·通讯》（Nature Communications）上。

图1 样品制备的流程图和器件细节展示

       张定/薛其坤团队长期致力于高温超导机理研究，在超薄样品制备、调控以及高质量转角约瑟夫森结方面积累了丰富经验，近期在《物理学报》上以邀请综述的形式回顾了过去七年的工作[Acta Phys. Sin. 72, 237402 (2023)]。在最新的研究中，研究团队制备了仅有1.5到2个单元胞厚度的铜氧化物薄膜，其超导转变温度由最佳掺杂（超导转变温度T_c~90 K）一直延伸到了极其欠掺杂的区间（T_c~7 K）。在这些具有高均匀性的样品中，研究团队不仅开展了磁场下电输运测量，还进行了能斯特效应的研究。实验发现，超薄样品的磁通涡旋具有与厚层材料显著不同的热激活行为，反映出维度降低带来的影响。借助这一特性，研究团队定量提取了超流密度这一基本参数，验证了它与超导转变温度间的线性关系。通过系统性的能斯特效应和磁电阻联合测量，研究团队还测定出了磁通涡旋的熵值。实验发现，涡旋熵由最佳掺杂时的2k_B（k_B为玻尔兹曼常数）减少到了欠掺杂时的0.002k_B。这一显著下降过程偏离了当前理论所预期的基本恒定的行为，说明人们对磁通涡旋的理解还不完善。结合超流密度与T_c的线性关系，研究团队提出涡旋熵随超流密度下降而指数衰减，该定量关系为建立起完备的磁通动力学理论提供了重要信息。

图2 实验测量得到的超薄铜氧化物样品中的能斯特信号

       文章的第一作者为清华大学物理系2018级博士生胡塾绪（已于近日通过博士答辩），通讯作者为北京理工大学物理学院乔佳斌副研究员（原清华大学物理系/北京量子信息科学研究院博士后）、清华大学物理系薛其坤教授和张定副教授。文章的合作者还包括美国布鲁克海文国家实验室的Genda Gu教授。该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委、北京理工大学青年教师学术启动计划等项目的支持。

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