Fra japansk kurvvævningskunst til nanoteknologi med ionstråler

Egenskaberne af højtemperatur-superledere kan skræddersyes ved introduktion af kunstige defekter. Et internationalt forskerhold omkring fysiker Wolfgang Lang ved universitetet i Wien har haft held med at producere verdens tætteste komplekse nano-arrays til forankring af fluxkvanter, fluxonerne. Dette blev opnået ved at bestråle superlederen med et helium-ion-mikroskop på universitetet i Tübingen, en teknologi, der først for nylig er blevet tilgængelig. Forskerne blev inspireret af en traditionel japansk kurvvævningskunst. Resultaterne er for nylig blevet offentliggjort i ACS anvendte nanomaterialer , et tidsskrift fra det anerkendte American Chemical Society.

Superledere kan transportere elektricitet uden tab, hvis de afkøles til en bestemt kritisk temperatur. Imidlertid, rene superledere er ikke egnede til de fleste tekniske applikationer, men først efter kontrolleret indførelse af defekter. For det meste, disse er tilfældigt fordelt, men i vore dage bliver det skræddersyede periodiske arrangement af sådanne defekter mere og mere vigtigt.

Fælder og bure til magnetiske kvanteobjekter i superledere

Et magnetfelt kan kun trænge ind i kvantiserede portioner i en superleder, de såkaldte fluxoner. Hvis superledning ødelægges i meget små områder, fluxonerne er forankret på præcis disse steder. Med periodiske arrays af sådanne defekter, todimensionale "fluxon krystaller" kan genereres, som er et modelsystem for mange interessante undersøgelser. Defekterne fungerer som fælder for fluxonerne og ved at variere let tilgængelige parametre kan adskillige effekter undersøges. "Imidlertid, det er nødvendigt at realisere meget tætte defektarrangementer, så fluxonerne kan interagere med hinanden, ideelt set på afstande under 100 nanometer, som er tusind gange mindre end hårets diameter, " forklarer Bernd Aichner fra universitetet i Wien.

Særligt interessant for forskerne er komplekse periodiske arrangementer, såsom quasi-kagomé-defektmønsteret undersøgt i den aktuelle undersøgelse, som var inspireret af en traditionel japansk kurvvævningskunst. Bambusstriberne i kagomé-mønsteret er erstattet af en kæde af defekter med 70 nanometers mellemrum. Det særlige ved denne kunstige nanostruktur er, at ikke kun én fluxon pr. defekt kan forankres, men der dannes omtrent cirkulære fluxonkæder, som igen holder en stadig fri fluxon fanget i deres midte. Sådanne fluxonbure er baseret på gensidig frastødning af fluxoner og kan åbnes eller låses ved at ændre det eksterne magnetfelt. De betragtes derfor som et lovende koncept til realisering af lav-tab og hurtige superledende kredsløb med fluxoner.

Nanostrukturering af højtemperatur superledere med helium-ion mikroskop

Denne forskning er blevet muliggjort af en ny enhed ved universitetet i Tübingen - helium-ion-mikroskopet. Selvom det har et lignende driftsprincip som scanningselektronmikroskopet, helium-ion-mikroskopet tilbyder en hidtil uovertruffen opløsning og dybdeskarphed på grund af heliumionernes meget mindre bølgelængde. "Med et helium-ion mikroskop, de superledende egenskaber kan skræddersyes uden at fjerne eller ødelægge materialet, som gør os i stand til at producere fluxon-arrays i højtemperatur-superledere med en tæthed, der er uovertruffen på verdensplan, " understreger Dieter Koelle fra Eberhard Karls Universitet i Tübingen. Forskerne planlægger nu at videreudvikle metoden til endnu mindre strukturer og at teste forskellige teoretisk foreslåede koncepter for fluxonkredsløb.