Forskere måler den nøjagtige kant mellem superledende og magnetiske tilstande

Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har udviklet en metode til nøjagtigt at måle den "nøjagtige kant" eller begyndelse, hvor et magnetfelt kommer ind i et superledende materiale. Kendskabet til denne tærskel - kaldet det lavere kritiske felt - spiller en afgørende rolle for at løse de vanskeligheder, der har forhindret den bredere anvendelse af superledelse i nye teknologier.

Inden for kondenseret fysik, forskere skelner mellem forskellige superledende tilstande. Når det placeres i et magnetfelt, det øvre kritiske felt er den styrke, hvormed det fuldstændigt ødelægger superledende adfærd i et materiale. Meissner -effekten kan betragtes som dens modsætning, som sker når et materiale overgår til en superledende tilstand, fuldstændig udstødning af et magnetfelt fra dets indre så den reduceres til nul ved en lille (typisk mindre end en mikrometer) karakteristisk længde kaldet London penetrationsdybde.

Men hvad sker der i det grå område mellem de to? Næsten alle superledere er klassificeret som type II, hvilket betyder, at ved større magnetfelter, de viser ikke en komplet Meissner -effekt. I stedet, de udvikler en blandet tilstand, med kvantiserede magnetiske hvirvler - kaldet Abrikosov -hvirvler - trådning af materialet, danner et todimensionalt hvirvelgitter, og signifikant påvirker adfærden hos superledere. Mest vigtigt, disse hvirvler kan skubbes rundt ved at strømme elektrisk strøm, forårsager, at superledningen forsvinder.

Det punkt, hvor disse hvirvler først begynder at trænge igennem en superleder, kaldes det nedre kritiske felt, en, der har været notorisk vanskelig at måle på grund af en forvrængning af magnetfeltet nær prøvekanter. Imidlertid, viden om dette felt er nødvendig for bedre forståelse og styring af superledere til brug i applikationer.

"Grænselinjen, den temperaturafhængige værdi af magnetfeltet, hvor dette sker, er meget vigtig; tilstedeværelsen af ​​Abrikosov -hvirvler ændrer superlederens adfærd meget, "sagde Ruslan Prozorov, en Ames Laboratory -fysiker, der er ekspert i superledning og magnetisme. "Mange af de applikationer, som vi gerne vil bruge superledning til, som transmission af elektricitet, forhindres af eksistensen af ​​denne hvirvelfase. "

For at validere den nye teknik, der er udviklet til at måle denne grænselinje, Prozorov og hans team undersøgte tre allerede velstuderede superledende materialer. De brugte et nyligt udviklet optisk magnetometer, der drager fordel af kvantetilstanden for en bestemt slags atomdefekt, kaldet nitrogen-vacancy (NV) centre, i diamant. Det meget følsomme instrument gjorde det muligt for forskerne at måle meget små afvigelser i det magnetiske signal meget tæt på prøvekanten og registrere begyndelsen af ​​hvirvelspenetration.

"Vores metode er ikke-invasiv, meget præcis og har bedre rumlig opløsning end tidligere anvendte metoder, "sagde Prozorov.

Ud over, teoretiske beregninger udført sammen med en anden Ames Laboratory -videnskabsmand, Vladimir Kogan, tilladt ekstraktion af de lavere kritiske feltværdier fra den målte begyndelse af hvirvelpenetration.