Afsløring af superledernes mysterier:Teams nye omfang ser nærmere på

Det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory har med succes demonstreret, at en ny type optisk magnetometer, NV magnetoskop, kan kortlægge et unikt træk ved superledende materialer, der sammen med nul modstand definerer selve superledningen.

Den unikke egenskab er Meissner -effekten, som er udvisning af magnetfeltet under et materiales overgang til en superledende tilstand.

"Meissner -effekten er kendetegnende for en ægte superleder, som adskiller det fra et hypotetisk perfekt metal med nul modstand, "sagde Ruslan Prozorov, en fysiker fra Ames Laboratory, der er ekspert i superledning og magnetisme ved lave temperaturer. "Det er fint i lærebøger og i princippet, men i ægte superledende materialer er Meissner -effekten ganske kompliceret. Robust screening af et magnetfelt ved hjælp af en superledende prøve og Meissner -udvisning ved afkøling i et magnetfelt kan forveksles. Denne effekt er faktisk meget svag og skrøbelig og vanskelig at observere. "

Indtil nu, fysikere har været i stand til at observere Meissner -effekten, men kunne ikke visualisere dets rumlige fordeling i materialet, og hvordan det kan variere mellem forskellige superledende forbindelser. Nu er det muligt at kortlægge unikke og karakteristiske træk ved Meissner -effekten, ved hjælp af et meget følsomt magnetoskop, der udnytter kvantetilstanden for en bestemt slags atomdefekt, kaldet nitrogen-vacancy (NV) centre, i diamant.

Mens videnskaben bag brugen af ​​NV -centre som sensorer har været kendt, forskere ved Ames Laboratory ønskede at vide, om teknologien kunne udnyttes til sondering af magnetfelter med hidtil uset følsomhed og god rumlig opløsning og anvende den til at studere forskellige magnetiske og superledende materialer.

"Denne teknik, som er minimalt invasiv og ekstremt følsom, er implementeret i en optisk enhed, der fungerer med succes, mens prøver er ved de lave temperaturer (4 grader over absolut nul), hvilket er nødvendigt for efterforskning af kvantematerialer. Dette var ingen triviel virksomhed, "sagde Prozorov.

Medlem af Prozorovs gruppe, Ames laboratorieforsker Naufer Nusran, ledet udviklingen af ​​denne unikke opsætning, og det nuværende arbejde brugte diamantfilm med NV-centre implanteret lige under overfladen til at måle større variation i magnetfelterne. Dette er den første videnskabelige artikel, der måler den rumlige fordeling af Meissner -effekten ved hjælp af et NV -magnetoskop, beviser, at teknikken virker og er klar til at blive indsat til at studere endnu mere komplekse problemer.

Nusran indgik også et samarbejde med Center for Nanoskala materialer, en DOE Office of Science -brugerfacilitet ved Argonne National Laboratory, at designe og fremstille nanoskala søjler i diamant, hver med et enkelt NV -center, til konstruktion af magnetoskopet, som tog tre år. Implementering af disse sensorer, nu placeret i Ames Laboratories ultra-low noise Sensitive Instrumentation Facility (SIF), er det næste trin i forskningen for Prozorov -gruppen i det nye laboratorium.

Det har allerede ført til nogle store overraskelser.

Jernbaserede superledere, betragtes som nogle af de mest robuste, viste praktisk talt ingen af ​​den "kendetegnende" Meissner -effekt.

"Dette er et stort puslespil, og vi har ingen forklaring, "sagde Prozorov." Det vil være en spændende ny metode inden for forskning for at forstå, hvorfor dette sker. "

Forskningen diskuteres yderligere i papiret, "Rumligt opklaret undersøgelse af Meissner-effekten i superledere ved hjælp af NV-centre-i-diamant optisk magnetometri, "Forfattet af N.M. Nusran, K. R. Joshi, K Cho, M.A. Tanatar, W.R. Meier, S. L. Bud'ko, P.C. Canfield, Y. Liu, T.A. Lograsso, og R. Prozorov; og offentliggjort i New Journal of Physics .