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超导材料因其独特的电学特性，成为了量子技术和微纳米电路研究的热点。尤其是在量子计算和高频传感器等领域，超导材料具有零直流电阻、低内损耗以及高阻抗等优点。然而，传统几何形状的电感器由于固有电容的限制，无法达到所需的超电感特性，其总回路阻抗被限制在小于量子电阻的值，限制了其应用潜力。因此，超导材料的动能电感成为解决这一问题的关键。为了克服这些限制，南洋理工大学Yogesh Kumar Srivastava， Ranjan Singh等在Nature Materials期刊上发表了题为“YBa2Cu3O7 as a high-temperature superinductor”的最新论文。科学家们提出通过在超导薄膜中引入Pearl电感（Pearl inductance）来增强动能电感，从而实现超电感。Pearl电感源于超导薄膜中涡旋屏蔽电流的扩展，这种电流的衰减速度比伦敦穿透深度 λL 更慢，能够有效提高电感特性。研究表明，超薄高超导临界温度（Tc）YBCO 薄膜可以在Pearl长度尺度上实现大幅度的动能电感增强，进而实现太赫兹频率下的超电感。这些新型超导材料展示了超过量子电阻限制的阻抗，为量子设备、传感器以及基于动能电感的光子探测器的设计提供了新的思路。（1）实验首次通过工程化超薄YBCO超导薄膜，观察到了Pearl电感（Pearl inductance）引起的太赫兹超电感现象。通过在厚度为λL/7的超薄超导薄膜中实现Pearl电感，成功扩展了涡旋屏蔽超电流的范围，从λL延伸至14λL。（2）实验通过开发用于超电感表征的电路模型，揭示了该超薄超导材料的阻抗超过量子电阻RQ（6.47kΩ）33%。该设备在25nm和35nm厚度的超导薄膜中分别表现出8.6kΩ和7.2kΩ的高阻抗，突破了传统约束，达到了太赫兹频段的超电感。（3）实验进一步通过光脉冲照射25nm厚YBCO超导薄膜，发现超快时间尺度（7ps）下，通过动态光学控制，成功调节了库珀对密度，进而调控了Pearl电感、动能电感以及频率灵活性，频率变化达到76GHz。该研究为设计基于Pearl长度尺度的超导超材料共振器提供了新的路径。图1:载流超导SC薄膜中，珀尔Pearl长度和元器件设计。图2: 在YBCO元器件和超级电感中，珀尔Pearl电感驱动的LC谐振位移。图3: 在超薄超导体器件中，珀尔Pearl长度在超电感出现中的作用。图4: 超材料器件共振频率、珀尔Pearl长度和动力学电感的超快光学控制。本文的研究为超导超材料在太赫兹频段的应用开辟了新的前景，尤其是在超电感和超导量子技术领域。通过精确调控超薄YBCO超导薄膜的几何结构，研究人员成功实现了基于Pearl长度尺度的超电感效应，突破了传统超导电感的限制，达到了超高阻抗（超过量子电阻RQ）的太赫兹频率。这一成果揭示了Pearl电感和超电感的新机制，尤其是在超导薄膜结构化后的表现，挑战了现有理论并带来了新的物理理解。此外，通过超快光学激励实现超电感的主动调控，展示了该技术在量子传感、超导计算、宽带辐射探测等领域的巨大潜力。该研究不仅推动了超导材料在量子信息技术中的应用，还为设计更小型、更高效的超电感器件提供了创新思路。通过结构化超导薄膜，研究者能够实现更高频率、更强功能的超导元件，为下一代量子传感器和量子计算机的开发奠定了基础。Srivastava, Y.K., Pang, T.C.I., Gupta, M. et al. YBa2Cu3O7 as a high-temperature superinductor. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02107-4🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
