A szupravezetők örvényeinek szupergyors mozgása felé új utat fedeztek fel

A szupravezetés alacsony hőmérsékleten sok anyagban előforduló fizikai jelenség, amely eltűnő elektromos ellenállással és a mágneses mezőknek az anyag belsejéből történő kiszorításával nyilvánul meg. A szupravezetőket már használják orvosi képalkotáshoz, gyors digitális áramkörökhöz vagy érzékeny magnetométerekhez, és nagy lehetőségek rejlenek további alkalmazásokban. A technológiailag fontos szupravezetők többségének vezetőképessége azonban valójában nem "szuper". Ezekben az úgynevezett II. Típusú szupravezetőkben egy mágneses tér kvantált mágneses vonalak formájában hatol be az anyagba. Ezeket a fluxusvonalakat Abrikosov-örvényeknek nevezik, Alekszej Abrikosovról kapták a nevét, akinek jóslata 2003-ban fizika Nobel-díjat kapott. Már mérsékelten erős elektromos áram mellett az örvények mozogni kezdenek, és a szupravezető már nem képes ellenállás nélkül továbbítani az áramot.

örvényeinek

A legtöbb szupravezetőnél az alacsony ellenállású állapotot az 1 km/s nagyságrendű örvénysebességek korlátozzák, amelyek meghatározzák a szupravezetők különféle alkalmazásokban történő alkalmazásának gyakorlati határait. Ugyanakkor az ilyen sebességek nem elég nagyok ahhoz, hogy a gazdag fizikát a nem egyensúlyi kollektív rendszerek felé irányítsák. Most a Bécsi Egyetem, a frankfurti Goethe Egyetem, a RAS Mikrostruktúrák Intézetének, a Harkiv V. Karazin Nemzeti Egyetem, a NAS B. Verkin Alacsony Hőmérsékletű Fizikai és Mérnöki Intézetének tudósaiból álló nemzetközi csoport talált egy új szupravezető rendszer, amelyben a mágneses fluxuskvantumok 10-15 km/s sebességgel mozoghatnak. Az új szupravezető tulajdonságainak ritka kombinációja - nagy szerkezeti egyenletesség, nagy kritikus áram és a fűtött elektronok gyors relaxációja. Ezeknek a tulajdonságoknak a kombinációja biztosítja, hogy a fluxus-áramlás instabilitásának jelensége - a szupravezető hirtelen átmenete az alacsony ellenállástól a normál vezető állapotig - kellően nagy szállítási áramok mellett következzen be.

"Az elmúlt években olyan kísérleti és elméleti munkák jelentek meg, amelyek figyelemre méltó kérdésre utalnak; azt állítják, hogy az áram által vezérelt örvények még gyorsabban is mozoghatnak, mint a szupravezető töltéshordozók." - mondja Oleksandr Dobrovolskiy, a közelmúltban megjelent publikáció vezető szerzője Természetkommunikáció és a Bécsi Egyetem Szupravezetési és Spintronikai Laboratóriumának vezetője. "Ezek a tanulmányok azonban helyileg nem egységes szerkezeteket alkalmaztak. Kezdetben kiváló minőségű tiszta filmekkel dolgoztunk, később azonban kiderült, hogy a piszkos szupravezetők jobb jelölt anyagok az ultragyors örvénydinamika támogatásához. Bár ezekben a belső rögzítés nem feltétlenül olyan gyenge, mint más amorf szupravezetőknél, a fűtött elektronok gyors ellazulása lesz az uralkodó tényező, amely lehetővé teszi az ultragyors örvénymozgást. "

Vizsgálataikhoz a kutatók Nb-C szupravezetőt állítottak elő fókuszált ionnyaláb indukálta lerakódással Michael Huth professzor csoportjában a németországi Frankfurt am Main Goethe Egyetemen. Figyelemre méltó, hogy az Nb-C ultragyors örvénysebessége mellett a közvetlen írásbeli nanagyártási technológia lehetővé teszi komplex alakú nano-architektúrák és 3D fluxus áramkörök gyártását bonyolult összekapcsolhatósággal, amelyek alkalmazhatók lehetnek a kvantum információ feldolgozásában.

Kihívások az ultragyors örvényanyag vizsgálatára

"A szupravezető által szállítható maximális áram, az úgynevezett levezető áram eléréséhez meglehetősen egységes mintákra van szükség egy makroszkopikus hosszúságú skálán, amely részben az anyag apró hibáinak köszönhető. A levezető áram elérése nemcsak alapvető probléma, de az alkalmazásoknál is fontos; egy mikrométer széles szupravezető sávot egyetlen közeli infravörös vagy optikai foton kapcsolhat rezisztív állapotba, ha a csíkot a levezető áramértékhez közeli áram torzítja, amint azt előre jelezték Ez a megközelítés perspektívákat nyit nagy területű egyetlen foton detektorok felépítéséhez, amelyek felhasználhatók például konfokális mikroszkópiában, szabad tér kvantum kriptográfiában, mély űr optikai kommunikációban "- mondja Denis Vodolazov, a Mikrostruktúrák Intézetének vezető kutatója RAS, Oroszország.

A kutatók sikeresen tanulmányozták, hogy az örvények milyen gyorsan tudnak mozogni a piszkos Nb-C szupravezető sávokban, amelyek kritikus áramerőssége nulla mágneses tér mellett van, közel a levezető áramhoz. Eredményeik azt mutatják, hogy a fluxusáramlás instabilitása a szélen, ahol az örvények bejutnak a mintába, a lokálisan megnövekedett áramsűrűség miatt kezdődik. Ez betekintést nyújt a széles körben alkalmazott fluxus-instabilitási modellek alkalmazhatóságába, és azt sugallja, hogy az Nb-C jó jelölt anyag a gyors egyfoton detektorokhoz.