Design af en bedre superleder med geometrisk frustration

Superledere indeholder små tornadoer af superstrøm, kaldet vortex filamenter, der skaber modstand, når de bevæger sig. Dette påvirker den måde, superledere bærer en strøm på.

Men en magnetstyret "switch" i superlederkonfiguration giver en hidtil uset fleksibilitet til at styre placeringen af ​​hvirvelfilamenter, ændring af superlederens egenskaber, ifølge et nyt papir i Nature Nanotechnology.

"Vi arbejder på superledere og hvordan man gør dem bedre til applikationer, " sagde Boldizsár Jankó-professor ved Institut for Fysik ved University of Notre Dame og med-korresponderende forfatter på papiret. "Et af de største problemer i superlederteknologi er, at de fleste af dem har disse filamenter, disse små tornadoer af superstrøm. Når disse flytter, så har du modstand."

Forskere har forsøgt at designe nye enheder og nye teknologier for at "stifte, " eller fastgør, disse filamenter til en bestemt position. Tidligere bestræbelser på at fastgøre filamenterne, såsom bestråling eller boring af huller i superlederen, resulterede i statisk, uforanderlige arrays, eller bestilte arrangementer af filamenter. En ny, dynamisk system opdaget af Jankó og samarbejdspartnere vil muliggøre løbende justeringer, ændre materialets egenskaber over tid. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort 11. juni i Natur nanoteknologi i et papir med titlen "Switchable geometric frustration in a artificial-spin-is/superconductor hetero-system."

Samarbejdspartnernes løsning overlejrer superlederen med en kunstig spin-is bestående af en række interagerende nanoskala-stangmagneter. Omarrangering af de magnetiske orienteringer af disse nano-bar magneter resulterer i en real-time omarrangering af pinningen på det superledende sted. Dette muliggør flere, reversible spin -cyklus -konfigurationer til hvirvlerne. Spin er en partikels naturlige, vinkelmomentum.

"Hovedopdagelsen her er vores evne til at omkonfigurere disse spinnesteder reversibelt og i stedet for kun at have en centrifugering af hvirvlerne, nu har vi mange, og vi kan skifte dem frem og tilbage, " sagde Jankó. De magnetiske ladninger har samme pinningseffekt som borede huller i andre systemer, men er ikke begrænset til en statisk konfiguration, beskrev han. For eksempel, magneterne kunne arrangeres til at skabe mere eller mindre modstand i superlederen. Den elementære enhed kunne potentielt kombineres til et kredsløb, der er i stand til logisk manipulation.

Yong-Lei Wang, videnskabelig adjunkt ved Institut for Fysik og medførste/medkorrespondent forfatter på papiret, som også er tilknyttet Argonne National Laboratory og Nanjing University, havde tidligere beskrevet en kunstig spinstruktur, eller magnetisk ladning is, som kunne indstilles til forskellige relativt stabile konfigurationer. Strukturerne kaldes is, fordi de involverer mønstrede atomare deformationer svarende til iltbindinger, når vand fryser. I den aktuelle undersøgelse, Jankó foreslog at anvende systemet på superledere.

"Vi demonstrerede, at ukonventionelle kunstige-spin-is-geometrier kan efterligne ladningsfordelingen af ​​et kunstigt firkantet spin-issystem, tillader hidtil uset kontrol over opladningsstederne via lokale og eksterne magnetfelter, " sagde Wang. "Vi viser nu, at en sådan kontrol over magnetiske ladninger kan udnyttes i styringen af ​​kvantefluxer i en spin-is/superleder-heterostruktur." Han tilføjede, at succesen skyldtes tæt samarbejde mellem eksperimentelister og teoretikere.

Fordi kontrollen af ​​kvantestrømmene er svær at visualisere i et eksperiment, simuleringer var nødvendige for at gengive resultaterne med succes sagde Xiaoyu Ma, en ph.d.-studerende ved Institut for Fysik, der har udført computersimuleringen i undersøgelsen og er medførsteforfatter på papiret. Simuleringerne gjorde det muligt for forskere at se de detaljerede processer involveret. "Antallet af hvirvelkonfigurationer, som vi kan realisere, er enormt, og vi kan designe og lokalt omkonfigurere dem sted for sted, " sagde mor. "Dette er aldrig blevet indset før."

Forskningen forventes at give en ny ramme på nanoskalaen for design og manipulation af geometrisk orden og frustration - et vigtigt fænomen i magnetisme relateret til arrangementet af spins - i en bred vifte af materialesystemer, Wang bemærkede. Disse omfatter magnetiske skyrmioner, todimensionelle materialer, topologiske isolatorer/halvmetaller og kolloider i bløde materialer.

"Dette kan føre til nye funktioner, " sagde Wang. "Vi tror på, at dette arbejde vil åbne en ny retning i anvendelsen af ​​geometriske frustrerede materialesystemer."