Første direkte observation og måling af ultrahurtigt bevægende hvirvler i superledere

Forskere har foretaget den første direkte visuelle observation og måling af ultrahurtig hvirveldynamik i superledere. Deres teknik, detaljeret i journalen Naturkommunikation , kunne bidrage til udviklingen af ​​nye praktiske applikationer ved at optimere superlederegenskaber til brug i elektronik.

Superledning er en stoftilstand, hvor en elektrisk strøm kan flyde med absolut ingen modstand. Dette sker, når visse materialer afkøles under en kritisk temperatur. Effekten er nyttig til forskellige applikationer, fra magnetisk svævende tog til MR-maskiner og partikelacceleratorer. Det sætter også gang i fantasien med tanker om tabsfri kraftoverførsel og meget hurtigere beregning.

Imidlertid, superledning er, Generelt sagt, undertrykt i nærvær af magnetiske felter, begrænser muligheden for at bruge disse materialer i virkelige applikationer. En bestemt familie af superledere, kaldet type 2, kan modstå meget højere værdier af magnetiske felter. Dette er takket være deres evne til at lade magnetfeltet trænge gennem materialet på en kvantiseret måde, i en lokal rørformet form kaldet en hvirvel. Desværre, i nærvær af elektriske strømme oplever disse hvirvler en kraft og kan begynde at bevæge sig. Bevægelse af hvirvler giver mulighed for elektrisk modstand, hvilken, igen, udgør en hindring for ansøgninger.

At forstå, hvornår og hvordan hvirvler vil bevæge sig eller forblive lokaliserede, er i fokus for megen videnskabelig forskning. Indtil nu, Det har vist sig at være ekstremt udfordrende at eksperimentere med fysikken i hurtige hvirvler, primært på grund af manglen på passende værktøjer.

Nu er et internationalt team af forskere, ledet af prof. Eli Zeldov fra Weizmann Institute of Science og Dr. Yonathan Anahory, seniorlektor ved det hebraiske universitet i Jerusalems Racah Institute of Physics, har for første gang vist, hvordan disse hvirvler bevæger sig i superledende materialer, og hvor hurtigt de kan bevæge sig.

De brugte en ny mikroskopiteknik kaldet scanning af SQUID-på-spids, som muliggør magnetisk billeddannelse med hidtil uset høj opløsning (ca. 50 nm) og magnetisk følsomhed. Teknikken blev udviklet i løbet af det sidste årti på Weizmann Instituttet af et stort team, herunder Ph.D. studerende Lior Embon og Ella Lachman og er i øjeblikket ved at blive implementeret på det hebraiske universitet i Dr. Anahorys laboratorium.

Ved hjælp af dette mikroskop, de observerede hvirvler, der strømmede gennem en tynd superledende film med hastigheder på snesevis af GHz, og rejser med hastigheder meget hurtigere end tidligere antaget muligt - op til omkring 72.000 km/t (45.000 mph). Dette er ikke kun meget hurtigere end lydens hastighed, men overskrider også den parbrudende hastighedsgrænse for superledende kondensat - hvilket betyder, at en hvirvel kan rejse 50 gange hurtigere end hastighedsgrænsen for den superstrøm, der driver den. Dette ville være som at køre et objekt til at rejse rundt om jorden på lidt over 30 minutter.

På fotos og videoer, der vises for første gang, hvirvelbanerne fremstår som udtværede linjer, der krydser fra den ene side af filmen til den anden. Dette svarer til sløring af billeder i fotografier af objekter i hurtig bevægelse. De viser en trælignende struktur med en enkelt stængel, der gennemgår en række bifurkationer i grene. Denne kanalstrøm er ret overraskende, da hvirvler normalt afviser hinanden og forsøger at sprede sig så meget som muligt. Her har hvirvler en tendens til at følge hinanden, som genererer den trælignende struktur.

Et hold af teoretiske fysikere fra USA og Belgien, ledet af professorerne Alexander Gurevich og Milorad Miloševi?, delvist forklaret dette fund med, at når en hvirvel bevæger sig, udseendet af modstand opvarmer materialet lokalt, hvilket gør det lettere for følgende hvirvler at rejse den samme rute.

"Dette arbejde giver et indblik i den grundlæggende fysik af hvirveldynamik i superledere, afgørende for mange applikationer, " sagde Dr. Lior Embon, hvem var, på det tidspunkt, den studerende, der er ansvarlig for denne undersøgelse. "Disse resultater kan være afgørende for den videre udvikling af superledende elektronik, åbner nye udfordringer for teorier og eksperimenter i det endnu uudforskede område af meget høje elektromagnetiske felter og strømme."

"Undersøgelsen viser, at SQUID-on-tip-teknikken kan løse nogle udestående problemer med ikke-ligevægtssuperledning, ultrahurtige hvirvler og mange andre magnetiske fænomener på nanometerskalaen, " sagde Dr. Yonathan Anahory, lektor ved det hebraiske universitets Racah Institute of Physics.

Desuden, simuleringsresultater opnået af ph.d. elev ?eljko Jeli? fra Belgien foreslår, at det ved korrekt prøvedesign og forbedret varmefjernelse skulle være muligt at nå endnu højere hastigheder. I det regime, de beregnede frekvenser for indtrængning af hvirvler kan blive skubbet til det meget teknologisk ønskede THz-frekvensgab.

Forskningen afslører den rige fysik af ultrahurtige hvirvler i superledende film, og tilbyder et bredt perspektiv for yderligere eksperimentelle og teoretiske undersøgelser. I fremtiden, denne teknologi kunne give forskere mulighed for at teste design, der sigter mod at reducere hvirvelbevægelser og forbedre superlederes egenskaber.