Superconductor Science and Technology：最新高温超导6篇论文分享（附下载）

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摘要 

本文提出了一套用于Nb₃Sn卢瑟福电缆的预测性多尺度建模流程，通过关联股线尺度与电缆尺度的力学行为，为14 T级加速器磁体的设计提供支持。该框架经过实验验证，可用于预测载荷作用下Nb₃Sn卢瑟福电缆临界电流的衰减。

该建模流程以股线参数和电缆结构参数为基础，可应用于不同设计方案。本文以两种不同设计的21股电缆（CD1 和 SMACC-HF）为例进行验证，两者的主要区别在于股线直径以及铜/非铜比（Cu/non-Cu ratio）。

该流程整合了多个环节：模拟股线换位与电缆压实所致变形的成缆（绞合）模型；用于生成适配有限元分析（FEM）的二维截面的Python工具；对Nb₃Sn丝间区域进行均匀化处理并考虑股线间接触的模型；以及将模拟应变与临界电流衰减关联起来的计算方法。

在力学验证方面，研究采用77 K 下的卢瑟福电缆十层叠压实验进行对比。模拟得到的宏观应力—应变曲线斜率与实验测量结果吻合良好：首次加载时偏差在 6%以内，卸载后再次加载时偏差为0.1%。实验与模拟结果均表明，在横向压力作用下，Cu/non-Cu比值较低的电缆能够保留更高比例的初始临界电流。

摘要 

在传统单磁通量子电路设计中，约瑟夫森结

（Josephson Junction，JJ）比较器通常需要避免多个结同时翻转或发生竞争性翻转，因为这类行为可能引发脉冲错误和非确定性工作状态。

本研究则展示了另一种思路：将这种双重翻转行为有意转化为有用的计算机制。研究通过在比较器结构前引入无旁路电阻的约瑟夫森结，实现了两个结的稳定双重翻转，使两个输入SFQ脉冲能够合并为一个输出脉冲。无论两个结以何种先后顺序发生翻转，该机制均能正常工作。

为验证这一机制的可行性，研究设计了一种基于双重翻转汇合缓冲器的紧凑型缩放一元加法器。该加法器仅需12个约瑟夫森结，与传统SFQ缩放一元加法器相比，电路面积减少约84%。仿真结果显示，该电路的偏置裕度范围为−18.6%至 +20.2%。实验测量则验证了其正确工作能力，实测偏置裕度为+17.9%至+28.5%，最高可在约55 GHz的频率下正常运行。

研究结果表明，在传统SFQ电路设计中通常被视为应当避免的双重翻转行为，也可以被转化为实现紧凑型SFQ逻辑电路的有效基本机制。

摘要 

在实际运行中，超导电磁铁经常需要经历输运电流的循环变化。对于许多Ⅱ型超导体而言，显著的磁滞效应使这类运行工况面临挑战。

本文研究了采用块体稀土钡铜氧（(RE)BCO）高温超导陶瓷构建的类Bitter型电磁铁，在单极性和双极性电流循环模式下的磁滞行为。

研究采用二维轴对称H法有限元模型，模拟一个由 20层线圈构成的电磁铁在电流循环过程中的电流分布与磁场分布，并揭示了显著的磁滞效应。特别是，模型预测，当输运电流撤除后，磁体中心孔径内会出现一个方向与输运电流所产生磁场相反的残余磁场。这一现象归因于线圈内半径处感生的屏蔽电流。

为验证模型，研究人员首先对一个由GdBCO-Ag制成、仅包含开槽圆片的四层线圈进行了实验。在单极性电流循环条件下，实验清晰地观察到了模型预测的、与电流历史有关的中心磁场变化，以及方向相反的残余磁场。随后，研究人员测试了另一种四层线圈。该线圈在原有结构基础上增加了未开槽的端部圆片，并在双极性电流循环条件下进行实验。结果发现，当电流撤除后，线圈中保留的残余磁场方向与输运电流所产生的磁场方向相同。

针对这一结果，研究人员对有限元模型进行了调整，以考虑未开槽端部圆片的影响。分析表明，正向残余磁场源于未开槽圆片内部形成的环流。

总体而言，研究证明，块体Bitter型高温超导电磁铁的磁场—电流（B–I）特性具有明显的历史依赖性，其根源在于持续存在的屏蔽电流。这一现象与 (RE)BCO带材超导磁体中已有报道的屏蔽电流感应磁场效应相类似。

研究结果表明，在块体高温超导Bitter型电磁铁的实际应用中，必须考虑电流历史对磁场特性的影响，并将其纳入磁体标定与运行控制的考量。

摘要 

本文研究了商用铅掺杂Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀₊ₓ（Bi-2223）超导杯在轴向、横向及交叉磁场配置下的直流磁屏蔽特性。研究重点考察了磁化历史的影响。结果表明，磁化历史会显著影响超导杯对垂直于初始磁化方向施加的磁场的屏蔽能力。

随着预磁化场强的增大，超导杯的磁屏蔽能力逐步下降。研究观察到了不同的性能变化阶段，这些阶段与超导体内部电流分布的演化有关。

在超导杯外叠加铁磁性（FM）杯后，最大可屏蔽场强显著提高：在横向磁场配置下由8.2 mT提高至144 mT；在轴向磁场配置下，由11.5 mT提高至68 mT。与此同时，铁磁性杯的引入显著减弱了磁屏蔽性能对磁化历史的依赖，使其在较宽的预磁化场强范围内保持更加稳定的屏蔽性能。

为解释上述实验结果，研究人员建立了一种基于矢量磁位（A）表述的三维数值模型，并通过将计算结果与实验数据进行对比验证了模型的有效性。数值模拟揭示了相关物理机制，重点分析了磁化诱导电流与屏蔽电流之间的竞争，以及二者对最终电流密度分布的影响。

研究结果阐明了磁化历史对Bi-2223超导磁屏蔽性能的影响，并表明，将超导材料与铁磁材料相结合的混合结构，有望提升磁屏蔽能力，并改善实际运行条件下的性能稳定性。

摘要 

超导电路的性能常因器件结构内出现非预期的磁通俘获而受到影响。尽管在器件设计中引入moat（用于隔离涡旋的磁通俘获沟槽）可在一定程度上缓解该问题，但其实际效果往往不尽如人意。

本文利用磁光成像（MOI）与扫描霍尔探针显微镜（SHPM）两种互补技术，对超导Nb（铌）薄膜中图形化制备的二维周期性moat阵列的磁通俘获效率进行了定量研究。

在较小面外（垂直于膜面）磁场下进行场冷时，MOI图像显示，moat孔洞中的磁通密度略高于相邻的Nb超导条带。高分辨率SHPM图像可对间隙区域中的 Abrikosov磁通涡旋以及moat内俘获的磁通进行定量分析，并揭示出一个约为±1.3 Oe的磁通俘获窗口——当场冷磁场处于该窗口范围内时，所有涡旋均会迁移至尺寸为5 µm×5 µm的moat中。当冷却场进一步增大时，间隙涡旋密度与moat内净磁通均随冷却场近似线性增加，该结果与含时金兹堡-朗道（TDGL）模拟基本吻合。

实测俘获场与针对5 µm宽超导条带估算的涡旋排出场（B₀∼1.37Oe）接近，并略大于将该表达式推广至周期性阵列后得到的经验估算值。零场冷后施加较小的面外磁场，MOI图像中可观察到moat内出现偶极状（偶极子状）磁场分布，该现象源于较大的感生屏蔽电流。基于SHPM图像对这些偶极状分布进行定量分析后发现，实验结果与描述磁通穿透过程的二维临界态模型在定性上相符。

我们的结果表明，现有理论模型能够较好地描述moat阵列对涡旋的隔离（俘获）行为；此外，本文还提出了一种新的非接触式方法，可在薄膜器件中产生高密度的超导电流，用于涡旋操控。

摘要 

本文系统推导了依赖能量转移的有效电子—电子相互作用，该相互作用会使各向同性超导体在中等至强耦合区出现次级相位模与次级振幅模。

本文采用迭代运动方程（iEoM）方法计算相应的响应函数，研究此类相互作用在布拉维格子上的影响。在弱耦合区，我们得到传统的一级模：振幅模位于ω =2Δ，相位模位于ω=0。进入中等耦合区，振幅模从准粒子连续谱上脱离出来并移向更低能量。耦合进一步增强后，在连续谱之下会出现额外的、长寿命的次级集体激发。

这一现象在很大程度上既不依赖于具体的晶格，也不依赖于特定的费米能级。若体系不满足粒子—空穴对称性，振幅模与相位模之间会发生耦合。此外，我们将该方法推广至本征算符的计算，即能够选择性激发各个次级模的算符线性组合。我们发现，这些本征算符的系数呈现节点结构，类比于氢原子问题的波函数。

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