Abrikosov磁通量子一般出现在第二类超导体的混合态中,以量子化的磁感线形式穿过超导体,周围由超导环流围绕。磁通对周围条件的敏感,使得我们可以通过本征或人工的手段对其进行钉扎与调控。近几十年来,磁通动力学都一直是超导研究领域的重点之一。在基础研究方面,对磁通运动的分析,有助于我们透彻研究磁通运动的本质,熟悉各种材料的特性,加深对超导机制的理解。在实际应用方面,对磁通运动的操纵,可以极大地提高材料在高磁场情况下的超流承载能力,也可以用来发展新型超导电子学器件。本论文利用先进的微纳米加工技术,结合人工纳米缺陷钉扎、磁钉扎等多种磁通钉扎的手段,在三维磁场低温测量系统中对磁通量子进行调控与研究。主要的研究成果有:1.实现了受缺陷钉扎调控的超导整流效应。在超导薄膜微桥上引入了非对称的纳米孔洞阵列,成功实现磁通的巨整流效应,并且整流信号较之前文献报道增强三个数量级。器件受温度、磁场等外部条件的控制,具有高度的可调性。此外,通过伪直流电的输运测量分析,证实这种现象源于一种二极管效应的超导相变,为发展新型超导电子学器件提供了新的方法。2.研制了新型的超导磁通开关和磁通霍尔效应器件。将低温超导薄膜微桥与人工自旋冰结构相结合,制备相应的异质结构器件。利用纳米磁体组成可原位调节的磁荷阵列,通过磁作用的形式与磁通量子进行耦合。该器件可通过外加面内磁场进行原位调控,在保持其他条件不变的情况下,实现磁通量子运动模式的原位操纵。该器件不但实现了可开关的超导态,同时也能够实现可编程的磁通量子霍尔效应。3.探索了高温超导体中的磁钉扎效应。利用高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8 δ与人工自旋冰相结合的异质结构,调控磁通在复杂环境中的运动机制。在矢量磁场系统中对其进行了细致的电磁输运测量,结果表现出了显著的磁通匹配效应,表明该异质结构器件在高温超导体中实现的可能性。4.研究了非常规电子系统中电子的运动行为,为发掘超导磁通与电荷结合的新型异质结构器件提供基础。测量了拓扑半金属CeBi中的磁阻现象,发现其各向异性磁阻与材料内部的磁化方向紧密相关,揭示了传导电子与材料磁性的关系。另一实验发现了二维电子气中反常的非线性纵向磁阻,论证其起因是电子的弱局域化和杂质散射导致的,表明了传导电子与测量电流强度间的关系。这些工作为我们未来设计超导与电子材料相结合的异质结构器件,以及开展超导磁通与电荷相互作用的研究提供了基本的知识和经验积累。