Mod superhurtig bevægelse af hvirvler i superledere

Et internationalt hold af videnskabsmænd fra Østrig, Tyskland, og Ukraine har fundet et nyt superledende system, hvor magnetiske fluxkvanter kan bevæge sig med hastigheder på 10 til 15 km/s. Dette åbner adgang til undersøgelser af den rige fysik af ikke-ligevægts kollektive systemer og gør en direkte-write Nb-C superleder som et kandidatmateriale til enkeltfoton detektorer. Resultaterne offentliggøres i Naturkommunikation .

Superledning er et fysisk fænomen, der opstår ved lave temperaturer i mange materialer, som viser sig gennem en forsvindende elektrisk modstand og udstødelse af magnetiske felter fra materialets indre. Superledere bruges allerede til medicinsk billeddannelse, hurtige digitale kredsløb eller følsomme magnetometre og rummer et stort potentiale for yderligere anvendelser. Imidlertid, ledningsevnen af ​​størstedelen af ​​teknologisk vigtige superledere er faktisk ikke "super". I disse såkaldte type II-superledere trænger et eksternt magnetfelt ind i materialet i form af kvantiserede linjer med magnetisk flux. Disse fluxlinjer er kendt som Abrikosov-hvirvler, opkaldt efter Alexei Abrikosov, hvis forudsigelse indbragte ham Nobelprisen i fysik i 2003. Allerede ved moderat stærke elektriske strømme, hvirvlerne begynder at bevæge sig, og superlederen kan ikke længere føre strømmen uden modstand.

I de fleste superledere, en lav-resistiv tilstand er begrænset af hvirvelhastigheder i størrelsesordenen 1 km/s, der sætter de praktiske grænser for brug af superledere i forskellige applikationer. På samme tid, sådanne hastigheder er ikke høje nok til at adressere den rige fysik, der er generisk til ikke-ligevægts kollektive systemer. Nu, et internationalt hold af videnskabsmænd fra universitetet i Wien, Goethe Universitetet i Frankfurt, Institut for Mikrostrukturer af RAS, V. Karazin National University of Kharkiv, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering af NAS har fundet et nyt superledende system, hvor magnetiske fluxkvanter kan bevæge sig med hastigheder på 10 til 15 km/s. Den nye superleder udviser en sjælden kombination af egenskaber - høj strukturel ensartethed, stor kritisk strøm og hurtig relaksation af opvarmede elektroner. Kombinationen af ​​disse egenskaber sikrer, at fænomenet flux-flow ustabilitet - brat overgang af en superleder fra den lavresistive til den normale ledende tilstand - finder sted ved tilstrækkeligt store transportstrømme.

"I de seneste år, der er dukket op eksperimentelle og teoretiske værker, der peger på et bemærkelsesværdigt spørgsmål; det er blevet hævdet, at strømdrevne hvirvler kan bevæge sig endnu hurtigere end de superledende ladningsbærere, " siger Oleksandr Dobrovolskiy, hovedforfatter til den nylige publikation i Naturkommunikation og leder af Superconductivity and Spintronics Laboratory ved universitetet i Wien. "Imidlertid, disse undersøgelser brugte lokalt uensartede strukturer. I første omgang, vi arbejdede med rene film af høj kvalitet, men senere viste det sig, at beskidte superledere er bedre kandidatmaterialer til at understøtte ultrahurtig vortex-dynamik. Selvom den iboende pinning i disse ikke nødvendigvis er så svag som i andre amorfe superledere, den hurtige afslapning af opvarmede elektroner bliver den dominerende faktor, der muliggør ultrahurtig hvirvelbevægelse."

Til deres undersøgelser fremstillede forskerne en Nb-C-superleder ved fokuseret ionstråle-induceret aflejring i gruppen af ​​professor Michael Huth ved Goethe-universitetet i Frankfurt am Main, Tyskland. Bemærkelsesværdigt, ud over ultrahurtige hvirvelhastigheder i Nb-C, Direct-write nanofabrikationsteknologien gør det muligt at fremstille kompleksformede nano-arkitekturer og 3-D fluxonic kredsløb med indviklet sammenkobling, som kan finde anvendelse i kvanteinformationsbehandling.

Udfordringer for undersøgelser af ultrahurtigt hvirvelstof

"For at nå den maksimale strøm, som en superleder kan bære, den såkaldte depairing strøm, man har brug for ret ensartede prøver over en makroskopisk længdeskala, som delvis skyldes små defekter i et materiale. At nå den svækkende strøm er ikke kun et grundlæggende problem, men det er også vigtigt for applikationer; en mikrometer bred superledende strimmel kan skiftes til en resistiv tilstand af en enkelt nær-infrarød eller optisk foton, hvis strimlen er forspændt af en strøm tæt på den aftagende strømværdi, som blev forudsagt og bekræftet i de seneste eksperimenter. Denne tilgang åbner perspektiver for at bygge store enkeltfotondetektorer, som kunne bruges i f.eks. konfokal mikroskopi, frirums kvantekryptografi, deep space optisk kommunikation, " siger Denis Vodolazov, seniorforsker ved Institut for Mikrostrukturer i RAS, Rusland.

Forskerne har med succes undersøgt, hvor hurtigt hvirvler kan bevæge sig i snavsede Nb-C-superledende strimler, der har en kritisk strøm ved nul magnetfelt tæt på den forringende strøm. Deres resultater indikerer, at fluxflow-ustabiliteten starter nær kanten, hvor hvirvler kommer ind i prøven på grund af den lokalt forbedrede strømtæthed. Dette giver indsigt i anvendeligheden af ​​udbredte fluxflow-ustabilitetsmodeller og foreslår, at Nb-C er et godt kandidatmateriale til hurtige enkeltfoton-detektorer.