20、复杂形状的3D纳米结构在磁性和超导领域的应用

复杂形状的3D纳米结构在磁性和超导领域的应用

1. 引言

三维（3D）纳米结构是复杂分层系统的关键组成部分。在从材料科学、物理学到化学和生物医学等众多科学技术领域中，其重要性日益凸显。与传统的块状系统不同，3D纳米结构是低维结构以特定方式向第三维扩展。在磁性3D纳米物体中，磁化配置不仅在平面内扩展，还在垂直方向上扩展，这使得设计具有新兴效应的复杂分层系统成为可能，从而实现新的功能。

目前，3D磁性结构的探索是一个快速发展的研究领域，由于几何效应导致的自旋纹理复杂性增加、磁阻挫和磁化动力学等，涌现出了许多令人兴奋的新物理现象。在超导领域，曲线3D壳结构已经成为理论和实验研究的焦点。近年来，纳米技术的成熟使得制造独立的3D纳米结构成为可能，这些结构的特征尺寸和曲率参数与控制超导态的长度尺度（如磁穿透深度和超导相干长度）相当。这种纳米结构的出现使得对其中拓扑缺陷（如阿布里科索夫涡旋和超导序参量相位的滑移）的复杂图案和动力学的实验研究成为超导研究的新途径。超导纳米结构向第三维的扩展已经证明可以提高超导量子干涉器件（SQUIDs）、微波测辐射热计的性能，并推动了具有复杂互连性的3D磁通电路的研究。

从更广泛的角度来看，复杂分层系统中各组成部分的内在结构及其相互作用会产生新的现象，使其性能优于块状对应物。这在一定程度上类似于超材料，3D纳米结构是当代超材料研究的核心，其中具有手性的磁性纳米结构是一类重要的系统，它们同时经历时间反演和空间反演对称性破缺。

由复杂3D磁性纳米结构阵列组成的介观系统尤为重要，因为纳米结构之间的邻近效应可以导致长程有序和新的磁畴行为。这些效应有助于将纳米结构的磁化稳定在超顺磁极限以上，这对于位图案介质等应用至关重要。此外，3D纳米结构在磁传感器和