当一个多体系统中局域的竞争相互作用与其微观几何构型不匹配的时候,会在系统中形成海量的简并度，这种物理现象被称为几何阻挫（Geometric frustration）。我们生活中常见的冰（水的固态）中复杂的氢-氧原子排列就是由几何阻挫现象引起的。但是由于冰中的几何阻挫效应是由晶体结构（主要是氧原子的排列）决定的，其一旦形成就很难再改变。最近电子科学与工程学院、超导电子学研究所的王永磊教授其科研合作团队设计出了一种由人工自旋冰和超导薄膜组成的新型异质结构器件，并在其上实现了可原位调节的几何阻挫效应（图1）。该工作以“Switchable geometric frustration in an artificial-spin-ice-superconductor heterosystem”为题于2018年6月11日发表在纳米研究领域顶级期刊《Nature Nanotechnology》上。

这项工作主要利用了王永磊教授在一项先前工作中设计出的一种可以形成多种磁荷有序的人工自旋冰[Science 352, 962 (2016)]。人工自旋冰是许多具有相互作用的纳米小磁体的集合，其中的正负磁荷可以和超导薄膜中量子化的磁通产生很强的相互作用。通过调节人工自旋冰中的磁荷结构，可以对量子磁通的磁钉扎势场的微观几何构型进行原位调节，从而实现量子磁通在几何阻挫态和磁通晶体态之间的原位转换（图1）。通过开关量子磁通的几何阻挫效应可以实现超导电性的原位调控，从而设计出具有特定功能的超导电子学器件，如在该工作中演示的可开关和可逆的量子磁通二极管（图2）。

这项研究是人工自旋冰和几何阻挫研究领域上的一次重要突破，为设计和应用可调控的几何阻挫现象提供了全新思路，其中所展示的方法除了可以用来调节超导材料的性能以外，还可以推广至其他电磁系统中。该研究工作的其他合作者包括美国圣母大学的马啸宇和Boldizsar Janko、阿贡国家实验室的徐璟、肖志力、Alexey Snezhko、Ralu Divan、Leonidas E. Ocola、John E. Pearson和Wai-Kwong Kwok。

相关论文：

Switchable geometric frustration in an artificial-spin-ice-superconductor hetero-system
Yong-Lei Wang, XiaoyuMa, Jing Xu, Zhi-Li Xiao, Alexey Snezhko, Ralu Divan, Leonidas E. Ocola, John E. Pearson, Boldizsar Janko and Wai-Kwong Kwok.
Nature Nanotechnology, (2018) https://doi.org/10.1038/s41565-018-0162-7

Rewritable artificial magnetic charge ice
Yong-Lei Wang, Zhi-Li Xiao, Alexey Snezhko, Jing Xu, Leonidas E. Ocola, Ralu Divan, John E. Pearson, George W. Crabtree, Wai-Kwong Kowk.
Science 352, 962 (2016) https://doi.org/10.1126/science.aad8037

（电子科学与工程学院 科学技术处）