一种逆向超导转变材料及其在量子器件上的应用

本发明属于功能材料、电子信息、传感与探测领域；涉及一种具有逆向超导转变的镍基氧化物材料，基于该材料所制备的量子器件，以及所实现的功能应用。

背景技术：

1、现有超导材料主要包括金属及合金超导体系、铜基氧化物高温超导体系、铁基超导体系、镍基氧化物超导体系，以及有机、重费米子和其他强关联非常规超导体系。传统金属及合金超导体以nb、nbti、nb3sn为代表，其超导转变温度通常处于液氦温区，并长期用于低温强磁场和超导电子学领域[1, 2]。基于传统电子-声子耦合的强耦合理论通常对超导转变温度给出有限的经验上限，因此临界温度明显高于该经验上限的材料通常被视为高温或较高温超导材料的重要代表[3]。例如，ba-la-cu-o 和 y-ba-cu-o铜氧化物将超导转变温度推进至液氮温区[4, 5]，la[o1-xfx]feas（x=0.05-0.12）铁基超导体建立了非铜基高温超导材料体系[6]，而无限层镍酸盐

renio2薄膜的发现为探索与铜氧化物结构相关的强关联超导提供了新的材料平台[7]。

2、超导材料主要应用于强磁场磁体、磁共振成像、磁约束聚变、电力输运、低损耗微波器件、超导量子干涉器件、单光子和粒子探测、超导量子计算以及低温高速逻辑电路领域。利用超导材料的磁通量量子化和约瑟夫森效应，可实现高灵敏度磁场探测和超导量子干涉器件应用[8]。利用超导材料的零电阻输运和高临界电流特性，可实现强场磁体、电力输运和高频低损耗电缆应用[9]。利用超导薄膜在超导-正常态转变附近的陡峭电阻变化，可实现转变边缘传感器对光子、粒子及微弱能量沉积的高灵敏探测[10]。利用超导纳米线中光诱导热斑或电流诱导局域正常态，可实现超导纳米线单光子探测器和三端纳米线低温电子器件[11, 12]。利用约瑟夫森结和超导电路的宏观量子相干特性，可实现超导量子比特、量子信息处理和低温数字逻辑电路[13, 14]。其中，利用超导材料在温度、电场、磁场、光外场触发下的超导转变，可实现磁场传感、辐射探测、单光子探测、量子比特操控、数字逻辑、存储、开关和放大功能应用。

3、由于传统情况下热扰动对超导有序态均起到破坏作用，因此传统超导材料大多由温度降低至临界温度

tc以下实现超导转变。在极少数情况下，由温度上升触发超导态的逆向超导转变在磁场、高压条件下的磁性重入超导体、磁场诱导超导体和磁场调控强关联超导体材料中被观察到。例如，在 errh4b4中，材料在约8.7 k以下进入超导态，但在约0.8–0.9k附近由于er局域磁矩发生长程磁有序而重新转变为电阻态，因此从更低温升温时可出现由电阻态进入超导态的逆向转变[15]；在ho1.2mo6s8中，材料在约1.2 k以下进入超导态，并在约0.64 k附近因ho磁有序破坏超导而发生低温重入电阻态[16]。此外，在eu-sn-mo6s8和λ-(bets)2fecl4 jaccarino-peter（j-p）交换场补偿体系中，外加磁场可部分抵消局域磁矩对导电电子产生的内部交换场，从而在特定高磁场窗口内诱导或恢复超导[17, 18]；其中λ-(bets)2fecl4在磁场严格平行于导电层时，可在0.1 k附近、17 t 以上诱导超导相[18]。在urhge铀基强关联超导体中，特定方向和强度的磁场也可通过调控磁矩重取向或磁涨落使超导在高磁场区域重现或增强[19]。然而，触发逆向超导转变的临界温度大多低于液氦减压制冷温度极限，即1.9 k，这限制其实质性应用。

4、综上，目前尚缺乏一种能够在液氦减压温度以上触发逆向超导转变的材料，从而发展出与现有基于超导转变的量子器件工作原理相反的一系列新型量子器件以极大拓展其在传感、探测、量子信息、存储与运算方面的实际应用。

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技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种能够在液氦减压制冷极限及以上温度触发逆向超导转变的超导材料，基于该材料所制备的可在液氦减压制冷极限及以上温度范围工作的量子器件，以及其在传感探测、电子信息、量子通信方面的应用。

2、一种逆向超导转变材料，其特征在于，所述材料为磁耦合的反常超导材料体系，包括镍基氧化物、铜基氧化物、铁基氧化物；在外物理场协同作用下超导态被限制在两个特征温度

tinv、

tc之间，而当温度低于

tinv或高于

tc时超导态消失并转变为电阻态；其中，

tinv为触发逆向超导转变的特征触发温度，其大于等于1.9 k且低于触发正常超导转变的特征温度

tc。材料中存在原子尺度下的铁磁自旋有序结构，由材料组分中所含有的磁性元素提供；所述磁性元素离子包括v2+、cr2+、mn2+、fe3+、co2+、cu2+、ce3+、pr3+、nd3+、sm3+、eu2+、gd3+、tb3+、dy3+、ho3+、er3+、tm3+、yb3+、lu3+。所述反常超导材料体系在超导转变温度以下，材料的上临界磁场大于传统bcs理论所预测的泡利顺磁极限，且在强磁场环境中保持稳定的超导态；所述材料形态包括外延薄膜、块体。所述材料结构包括微桥、纳米线、约瑟夫森结、薄膜阵列、多层异质结、超导量子干涉结构及集成化低温电子器件结构。

3、进一步地，所述的磁耦合的反常超导材料体系为eu掺杂镍基无限层氧化物，材料组分为eux

aey

re1-x-ynio2，其中eu处于+2、+3的混合价态，

re代表稀土元素，包括la、ce、pr、nd、sm、gd、dy、ho、y、er、tb、lu、yb中的一种或多种元素中的不同元素组合，0.1≤x≤0.9；

ae代表碱土元素。

4、进一步地，所述碱土元素特征是能够协同处于+2价的eu调节空穴掺杂浓度、晶格失配、磁耦合强度和逆向超导转变温度，包括ba、sr、ca、mg中的一种或多种碱土元素中的不同元素组合，0≤y≤0.1；所述eu镍基无限层氧化物材料形态优选外延薄膜时，所述外延薄膜生长在单晶氧化物衬底上，所述单晶氧化物衬底包括镓酸钕ndgao3、铝酸锶钽镧(laalo3)0.29-(sral1/2ta1/2o3)0.71，即简称为lsat、钛酸锶srtio3、铝酸镧laaio3或钪酸镝dysco3单晶衬底。

5、进一步地，所述协同作用的外物理场包括：温度、电流密度、磁场、光作用；所述温度范围为1.6-40 k；所述电流密度范围为10-350 ka/cm2；所述磁场范围为0.1- 60 t；所述光波长范围为0.4-15 μm；所述光功率密度范围为10-3-103 mw/cm2。

6、一种采用如上所述逆向超导转变材料制备的量子器件，所述电子器件包括阻变依赖、路径依赖；所述阻变依赖特征在于，材料在特征外场作用下可在低温电阻态、逆向触发超导态、常规高温电阻态以及有限电阻的磁通流动状态之间发生可读出的电阻切换，利用该电阻突变可构建阈值开关、传感器、探测器、逻辑单元和存储单元；所述路径特征在于，材料的电阻状态不仅取决于当前温度、磁场、电流密度、光强或压力数值，还取决于外场扫描方向、扫描历史、脉冲宽度、输入电功率及其时间积分；因此，同一外场数值下可对应不同电阻状态或超导状态，从而实现对输入电功率、热脉冲、磁场脉冲、光脉冲或电流脉冲的记忆效应、迟滞响应和历史依赖读出。

7、进一步地，所述量子器件包括温度传感器、磁场传感器、电流传感器、光探测器、辐射探测器、单光子探测器、转变边缘传感器、低温阈值开关、超导逻辑器件、超导存储器件、神经形态计算器件、量子信息接口器件和多物理场耦合探测器件；基于所述逆向超导转变构建的器件可与传统降温进入超导态的超导器件形成互补工作模式，用于提高低温探测、低温逻辑和量子信息系统中的判别精度、抗误触发能力和功能集成度。

8、在一优选例中，将具有明显迟滞和路径依赖行为的eu0.35gd0.05nd0.6nio2薄膜加工为多端突触器件，在5 k下施加10 mpa压力，通过连续电流脉冲调节材料的电阻状态、超导状态和磁通流动状态，器件输出取决于输入脉冲的幅值、持续时间和累积次数，可模拟突触权重调节、积分响应和阈值发放行为，可用于低温神经形态计算。在另一优选例中，将eu0.2v0.05sr0.025ho0.725nio2薄膜加工为微桥器件，在6 k下施加2 t磁场，通过光照引起局域温升、载流子调控或磁耦合状态变化，使材料由低温电阻态切换至超导态，该器件可用于光探测器、辐射探测器和光触发低温开关。

9、在一优选例中，磁场协同下，温度触发，即施加1.1 t外加磁场，材料随温度升高至4.8 k以上由电阻态进入超导态，并在温度继续升高至7.5 k以上时由超导态重新进入电阻态；在另一优选例中，磁场协同下，光触发，即施加14 t磁场，通过光照引起的局域温升、载流子调控或磁耦合状态变化，使材料跨越10 k并由电阻态切换至超导态；在另一优选例中，磁场协同下，电流密度触发，即施加50 t磁场，通过输入10 μa电流产生的局域热效应或非平衡载流子效应，使材料由低温电阻态进入5-12 k之间的超导态。

10、在另一优选例中，磁场强度触发，即在2 k下通过调节外加磁场强度，使材料在磁场补偿、磁耦合调控或上临界场竞争作用下由电阻态进入超导态。

11、在另一优选例中，压力协同下，温度触发，即施加100 mpa压力，材料随温度升高至6 k以上由电阻态进入超导态，并在温度继续升高至9 k以上时由超导态重新进入电阻态。

12、在另一优选例中，光照协同下，电流密度触发，即将材料置于波长为1 μm功率密度为1 mw/cm2的光照环境，通过输入50 μa电流产生的局域热效应或非平衡载流子效应，使材料由低温电阻态进入6.5-8.5 k之间的超导态；

13、在一优选例中，将eu0.625nd0.375nio2薄膜外延生长在单晶衬底上，所得材料可在外加磁场下触发逆向超导转变特性。在另一优选例中，将eu0.6ca0.05pr0.35nio2薄膜加工为多端微桥阵列，可在外加压力下触发逆向超导转变特性。在另一优选例中，eu0.3fe0.1gd0.6nio2块体在光照下可触发逆向超导转变特性。

14、进一步地，所述高温逆向超导转变材料制备的量子器件可应用于温度传感器、磁场传感器、电流传感器、光探测器、辐射探测器、单光子探测器、转变边缘传感器、低温阈值开关、超导逻辑器件、超导存储器件、神经形态计算器件、量子信息接口器件和多物理场耦合探测器件；基于所述逆向超导转变构建的器件可与传统降温进入超导态的超导器件形成互补工作模式，用于提高低温探测、低温逻辑和量子信息系统中的判别精度、抗误触发能力和功能集成度。

15、本发明方法优势在于：一方面，从材料角度通过逆向的超导转变为现有基于超导转变的量子器件提供具有反向工作原理的相应量子器件，从而协同提高量子器件工作可靠性。另一方面，通过外场强度控制多阻态的动态协同转变，实现对外场强度及路径所依赖的突变式调控功能，在多物理场传感、阈值探测、低温存储、可重构逻辑、神经形态计算和量子信息接口具有重要应用价值。该发明能够提供与传统降温进入超导态相反的器件工作模式，有利于提高低温探测、低温逻辑和量子信息系统中的判别精度、抗误触发能力和功能集成度。

16、本发明制备的无限层镍基超导薄膜完全避免真空设备依赖，操作简便且成本低廉，可实现薄膜组分灵活调控及高重复性制备。具有反常超导特性，其超导温度可突破麦克米兰极限，并表现出高上临界场和临界电流密度。该材料在超导量子干涉器件squid、强场磁体线圈、高频低损耗输电电缆及磁约束核聚变装置磁体系统领域具有应用价值。