Vortex rivers and multiple voltage transitions in superconducting MgB2 thin films

Автор(и)

  • Anton Pokusinskyi Cryogenic Quantum Electronics, Institute for Electrical Measurement Science and Fundamental Electrical Engineering (EMG) and Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), Technische Universität Braunschweig 38106 Braunschweig, Germany
  • Clemens Schmid Faculty of Physics, University of Vienna, 1090 Vienna, Austria
    Vienna Doctoral School in Physics, 1090 Vienna, Austria
  • Thomas Hauet Institute Jean Lamour, Université de Lorraine-CNRS, 54000 Nancy, France
  • Oleksandr Dobrovolskiy Cryogenic Quantum Electronics, Institute for Electrical Measurement Science and Fundamental Electrical Engineering (EMG) and Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), Technische Universität Braunschweig 38106 Braunschweig, Germany
    FLUXONICS—The European Foundry for Superconducting Electronics e.V., 38106 Braunschweig, Germany

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0044823

Ключові слова:

superconductivity, vortex matter, vortex pinning, TDGL equation, flux-flow instability, phase-slip lines

Анотація

Динаміка вихорів визначає дисипацію енергії та магніторезистивні властивості надпровідників другого типу. За великих транспортних струмів вольт-амперні характеристики (ВАХ) надпровідника у змішаному стані зазвичай демонструють нелінійне зростання, після якого відбувається різкий стрибок, зумовлений нестабільністю потоку. Однак можливі й інші механізми переходу, зокрема утворення ліній фазового ковзання та нормальних доменів. Який із механізмів реалізується, залежить від однорідності зразка, його розмірів відносно довжини когерентності та глибини проникнення, а також від швидкості релаксації енергії електронів і ефективності відведення тепла. На основі часовозалежного рівняння Гінзбурга–Ландау представлено результати чисельного моделювання ВАХ надпровідних плівок із різними типами розташування дефектів. Для сітки дефектів меж зерен виявлено множинні стрибки напруги, накладені на нелінійне зростання ВАХ. Для випадково розташованих подовжених дефектів ВАХ демонструють стрибки напруги, тоді як для L-подібних дефектів, орієнтованих перпендикулярно транспортному струму, ВАХ мають протяжні лінійні ділянки, розділені стрибками напруги. Проаналізовано еволюцію параметра порядку вздовж ВАХ та обговорено можливість експериментального спостереження виявлених динамічних режимів.

Посилання

1. E. H. Brandt, “The flux-line lattice in superconductors,” Rep. Progr. Phys. 58, 1465 (1995). https://doi.org/10.1088/0034-4885/58/11/003

2. O. Dobrovolskiy, H. Suderow, F. Tafuri et al, “Roadmap on nanoscale superconductivity for quantum technologies,” Supercond. Sci. Technol. 39, 023502 (2026). https://doi.org/10.1088/1361-6668/ae3030

3. D. Y. Vodolazov, “Flux-flow instability in a strongly disordered superconducting strip with an edge barrier for vortex entry,” Supercond. Sci. Technol. 32, 115013 (2019). https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab4168

4. V. G. Kogan and R. Prozorov, “Interaction between moving abrikosov vortices in type-II superconductors,” Phys. Rev. B 102, 024506 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.024506

5. W. P. M. R. Pathirana and A. Gurevich, “Effect of random pinning on nonlinear dynamics and dissipation of a vortex driven by a strong microwave current,” Phys. Rev. B 103, 184518 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.184518

6. V. G. Kogan and N. Nakagawa, “Dissipation of moving vortices in thin films,” Phys. Rev. B 105, L020507 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.L020507

7. M. Karrer, B. Aichner, K. Wurster, C. Magén, C. Schmid, R. Hutt, B. Budinská, O. V. Dobrovolskiy, R. Kleiner, W. Lang, E. Goldobin, and D. Koelle, “Vortex matching at 6 T in YBa2Cu3O7−δ thin films by imprinting a 20 nm periodic pinning array with a focused helium-ion beam,” Phys. Rev. Appl. 22, 014043 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.22.014043

8. H. S. Ruiz, J. Hänisch, M. Polichetti, A. Galluzzi, L. Gozzelino, D. Torsello, S. Milošević-Govedarović, J. Grbović-Novaković, O. V. Dobrovolskiy, W. Lang, G. Grimaldi, A. Crisan, P. Badica, A. M. Ionescu, P. Cayado, R. Willa, B. Barbiellini, S. Eley, and A. Badía-Majós, “Critical current density in advanced superconductors,” Progr. Mater. Sci. 155, 101492 (2026). https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101492

9. O. Dobrovolskiy, Fast Dynamics of Vortices in Superconductors (Elsevier, 2024), Chap. 9, pp. 735–754.

10. A. I. Larkin and Y. N. Ovchinnikov, “Nonlinear conductivity of superconductors in the mixed state,” Sov. Phys. JETP 41, 960 (1976).

11. L. E. Musienko, I. M. Dmitrenko, and V. G. Volotskaya, “Nonlinear conductivity of thin films in a mixed state,” JETP Lett. 31, 567 (1980).

12. I. M. Dmitrenko, V. G. Volotskaya, L. E. Musienko, and A. G. Sivakov, “Non-equilibrium effects in dynamic mixed state of thin films,” Physica B + C 108, 783 (1981).https://doi.org/10.1016/0378-4363(81)90696-3

13. W. Klein, R. P. Huebener, S. Gauss, and J. Parisi, “Nonlinearity in the flux-flow behavior of thin-film superconductors,” J. Low Temp. Phys. 61, 413 (1985). https://doi.org/10.1007/BF00683694

14. M. N. Kunchur, “Unstable flux flow due to heated electrons in superconducting films,” Phys. Rev. Lett. 89, 137005 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.137005

15. L. Embon, Y. Anahory, Z. L. Jelic, E. O. Lachman, Y. Myasoedov, M. E. Huber, G. P. Mikitik, A. V. Silhanek, M. V. Milosevic, A. Gurevich, and E. Zeldov, “Imaging of super-fast dynamics and flow instabilities of superconducting vortices,” Nat. Commun. 8, 85 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-00089-3

16. A. V. Silhanek, A. Leo, G. Grimaldi, G. R. Berdiyorov, M. V. Milosevic, A. Nigro, S. Pace, N. Verellen, W. Gillijns, V. Metlushko, B. Ilić, X. Zhu, and V. V. Moshchalkov, “Influence of artificial pinning on vortex lattice instability in superconducting films,” New J. Phys. 14, 053006 (2012). https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/5/053006

17. B. Budinská, B. Aichner, D. Y. Vodolazov, M. Y. Mikhailov, F. Porrati, M. Huth, A. Chumak, W. Lang, and O. Dobrovolskiy, “Rising speed limits for fluxons via edge-quality improvement in wide MoSi thin films,” Phys. Rev. Appl. 17, 034072 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034072

18. C. Peroz, C. Villard, A. Sulpice, and P. Butaud, “Vortex dynamics at high velocities and proximity effect in superconducting thin films,” Physica C 369, 222 (2002). https://doi.org/10.1016/S0921-4534(01)01246-1

19. C. Attanasio and C. Cirillo, “Quasiparticle relaxation mechanisms in superconductor/ferromagnet bilayers,” J. Phys.: Condens. Matter 24, 083201 (2012). https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/8/083201

20. A. I. Bezuglyj, V. A. Shklovskij, R. V. Vovk, V. M. Bevz, M. Huth, and O. V. Dobrovolskiy, “Local flux-flow instability in superconducting films near Tc,” Phys. Rev. B 99, 174518 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.174518

21. M. N. Kunchur, B. I. Ivlev, and J. M. Knight, “Steps in the negative-differential-conductivity regime of a superconductor,” Phys. Rev. Lett. 87, 177001 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.177001

22. S. S. Ustavcshikov, M. Y. Levichev, I. Y. Pashenkin, N. S. Gusev, A. A. Mazilkin, and D. Y. Vodolazov, “Negative differential resistance and quasiperiodic vortex-antivortex motion in a superconducting constriction,” Phys. Rev. B 109, 174521 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.174521

23. V. R. Misko, S. Savel’ev, A. L. Rakhmanov, and F. Nori, “Negative differential resistivity in superconductors with periodic arrays of pinning sites,” Phys. Rev. B 75, 024509 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.024509

24. J. Gutierrez, A. V. Silhanek, J. Van de Vondel, W. Gillijns, and V. V. Moshchalkov, “Transition from turbulent to nearly laminar vortex flow in superconductors with periodic pinning,” Phys. Rev. B 80, 140514 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.140514

25. O.-A. Adami, Z. L. Jelic, C. Xue, M. Abdel-Hafiez, B. Hackens, V. V. Moshchalkov, M. V. Milosevic, J. Van de Vondel, and A. V. Silhanek, “Onset, evolution, and magnetic braking of vortex lattice instabilities in nanostructured superconducting films,” Phys. Rev. B 92, 134506 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.134506

26. A. V. Silhanek, R. Kramer, J. Van de Vondel, V. Moshchalkov, M. Milosevic, G. Berdiyorov, F. Peeters, R. Luccas, and T. Puig, “Freezing vortex rivers,” Physica C 470, 726 (2010). https://doi.org/10.1016/j.physc.2010.02.072

27. V. M. Dmitriev and I. V. Zolochevskii, “Resistive current states in wide superconducting films in zero magnetic field,” Supercond. Sci. Technol. 19, 342 (2006). https://doi.org/10.1088/0953-2048/19/4/017

28. A. G. Sivakov, A. M. Glukhov, A. N. Omelyanchouk, Y. Koval, P. Müller, and A. V. Ustinov, “Josephson behavior of phase-slip lines in wide superconducting strips,” Phys. Rev. Lett. 91, 267001 (2003). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.267001

29. O. V. Dobrovolskiy, D. Y. Vodolazov, F. Porrati, R. Sachser, V. M. Bevz, M. Y. Mikhailov, A. V. Chumak, and M. Huth, “Ultra-fast vortex motion in a direct-write Nb–C superconductor,” Nat. Commun. 11, 3291 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16987-y

30. A. I. Bezuglyj, V. A. Shklovskij, B. Budinská, B. Aichner, V. M. Bevz, M. Y. Mikhailov, D. Y. Vodolazov, W. Lang, and O. V. Dobrovolskiy, “Vortex jets generated by edge defects in current-carrying superconductor thin strips,” Phys. Rev. B 105, 214507 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.214507

31. V. Bevz, M. Mikhailov, B. Budinská, S. Lamb-Camarena, S. Shpilinska, A. Chumak, M. Urbánek, M. Arndt, W. Lang, and O. Dobrovolskiy, “Vortex counting and velocimetry for slitted superconducting thin strips,” Phys. Rev. Appl. 19, 034098 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.034098

32. A. I. Bezuglyj and V. A. Shklovskij, “Thermal domains in inhomogeneous current-carrying superconductors. Current-voltage characteristics and dynamics of domain formation after current jumps,” J. Low Temp. Phys. 57, 227 (1984). https://doi.org/10.1007/BF00681190

33. M. Gruber, “Nonlinear conductivity and flux-flow instabilities in superconducting MgB2 thin films,” MSc thesis, University of Vienna (2024).

34. C. Schmid, A. Pokusinskyi, M. Gruber, C. Pfaff, T. Courtois, A. Kasatkin, K. Dumesnil, S. Mangin, T. Hauet, and O. Dobrovolskiy, Crystal structure effects on vortex dynamics in superconducting MgB2 thin films, arXiv:2604.14022 (2026).

35. C. Reichhardt, C. J. Olson, and F. Nori, “Dynamic vortex phases and pinning in superconductors with twin boundaries,” Phys. Rev. B 61, 3665 (2000). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.3665

36. C. Reichhardt, C. J. Olson, and F. Nori, “Dynamic phases of vortices in superconductors with periodic pinning,” Phys. Rev. Lett. 78, 2648 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2648

37. G. R. Berdiyorov, M. V. Milošević, M. L. Latimer, Z. L. Xiao, W. K. Kwok, and F. M. Peeters, “Large magnetoresistance oscillations in mesoscopic superconductors due to current-excited moving vortices,” Phys. Rev. Lett. 109, 057004 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.057004

38. M. S. Pambianchi, J. Mao, and S. M. Anlage, “Magnetic screening in proximity-coupled superconductor/normal-metal bilayers,” Phys. Rev. B 50, 13659 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.13659

39. M. Kompaniiets, O. V. Dobrovolskiy, C. Neetzel, F. Porrati, J. Brötz, W. Ensinger, and M. Huth, “Long-range superconducting proximity effect in polycrystalline Co nanowires,” Appl. Phys. Lett. 104, 052603 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4863980

40. J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, “Superconductivity at 39 K in magnesium diboride,” Nature 410, 63 (2001). https://doi.org/10.1038/35065039

41. S. Tsuda, T. Yokoya, Y. Takano, H. Kito, A. Matsushita, F. Yin, H. Harima, and S. Shin, “Definitive experimental evidence for two-band superconductivity in MgB2,” Phys. Rev. Lett. 91, 127001 (2003). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.127001

42. C. Pfaff, S. Petit-Watelot, S. Andrieu, L. Pasquier, J. Ghanbaja, S. Mangin, K. Dumesnil, and T. Hauet, “Spin injection at MgB2-superconductor/ferromagnet interface,” Appl. Phys. Lett. 125, 102601 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0220815

43. A. O. Pokusinskyi and A. L. Kasatkin, “Dissociation of composite abrikosov vortices in two-band superconductors in a strong rf field,” Low Temp. Phys. 50, 111 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 119 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0024321

44. A. O. Pokusinskyi and O. V. Dobrovolskiy, “DC-driven fractional flux quanta in two-band superconductors,” Phys. Stat. Sol. – Rap. Res. Lett. 19, 2500128 (2025).https://doi.org/10.1002/pssr.202500128

45. L. Kramer and R. J. Watts-Tobin, “Theory of dissipative current-carrying states in superconducting filaments,” Phys. Rev. Lett. 40, 1041 (1978). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.40.1041

46. L. Bishop-Van Horn, “pyTDGL: Time-dependent ginzburg–landau in python,” Comput. Phys. Commun. 291, 108799 (2023). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2023.108799

47. A. E. Koshelev, I. A. Sadovskyy, C. L. Phillips, and A. Glatz, “Optimization of vortex pinning by nanoparticles using simulations of the time-dependent Ginzburg-Landau model,” Phys. Rev. B 93, 060508 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.060508

48. B. L. T. Plourde, D. J. Van Harlingen, D. Y. Vodolazov, R. Besseling, M. B. S. Hesselberth, and P. H. Kes, “Influence of edge barriers on vortex dynamics in thin weak-pinning superconducting strips,” Phys. Rev. B 64, 014503 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.014503

49. Z. M. Kakhaki, A. O. Pokusinskyi, F. Avitabile, A. Kumar, F. Colangelo, C. Cirillo, C. Attanasio, and O. V. Dobrovolskiy, “Annealing-induced grain coarsening and voltage kinks in superconducting NbRe films,” arXiv:2604.08735 (2026).

50. O. V. Dobrovolskiy, M. Huth, and V. A. Shklovskij, “Alternating current-driven microwave loss modulation in a fluxonic metamaterial,” Appl. Phys. Lett. 107, 162603 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4934487

Downloads

Опубліковано

2026-07-28

Як цитувати

(1)
Anton Pokusinskyi, Clemens Schmid, Thomas Hauet, and Oleksandr Dobrovolskiy, Vortex rivers and multiple voltage transitions in superconducting MgB2 thin films, Low Temp. Phys. 52, 1074–1080, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 1187–1193, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0044823.

Номер

Том 52 № 9 (2026)

Розділ

Статті

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.