Onderzoekers hebben de eerste directe visuele observatie en meting gemaakt van ultrasnelle vortexdynamica in supergeleiders. Hun techniek, gedetailleerd in het journaal Natuurcommunicatie , zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe praktische toepassingen door de eigenschappen van supergeleiders te optimaliseren voor gebruik in de elektronica.

Supergeleiding is een toestand van materie waarin een elektrische stroom kan vloeien zonder absoluut weerstand. Dit gebeurt wanneer bepaalde materialen worden afgekoeld tot onder een kritische temperatuur. Het effect is nuttig voor verschillende toepassingen, van magnetisch zwevende treinen tot MRI-machines en deeltjesversnellers. Het spreekt ook tot de verbeelding met gedachten over verliesvrije krachtoverdracht en veel snellere berekeningen.

Echter, supergeleiding is, in het algemeen, onderdrukt in aanwezigheid van magnetische velden, het beperken van de mogelijkheid om deze materialen te gebruiken in real-life toepassingen. Een bepaalde familie van supergeleiders, type 2 genoemd, kan veel hogere waarden van magnetische velden weerstaan. Dit is te danken aan hun vermogen om het magnetische veld op een gekwantiseerde manier door het materiaal te laten lopen, in een lokale buisvormige vorm die een vortex wordt genoemd. Helaas, in aanwezigheid van elektrische stromen ervaren deze wervels een kracht en kunnen ze beginnen te bewegen. Beweging van wervels zorgt voor elektrische weerstand, die, opnieuw, vormt een belemmering voor aanvragen.

Begrijpen wanneer en hoe wervels zullen bewegen of gelokaliseerd blijven, is de focus van veel wetenschappelijk onderzoek. Tot nu, het experimenteel aanpakken van de fysica van snel bewegende wervels is buitengewoon uitdagend gebleken, voornamelijk vanwege het ontbreken van adequate hulpmiddelen.

Nu een internationaal team van onderzoekers, geleid door Prof. Eli Zeldov van het Weizmann Institute of Science en Dr. Yonathan Anahory, hoofddocent aan het Racah Institute of Physics van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, heeft voor het eerst aangetoond hoe deze wervels bewegen in supergeleidende materialen en hoe snel ze kunnen reizen.

Ze gebruikten een nieuwe microscopietechniek genaamd scanning SQUID-on-tip, die magnetische beeldvorming mogelijk maakt met een ongekend hoge resolutie (ongeveer 50 nm) en magnetische gevoeligheid. De techniek is het afgelopen decennium ontwikkeld aan het Weizmann Institute door een groot team, waaronder Ph.D. student Lior Embon en Ella Lachman en wordt momenteel ook geïmplementeerd aan de Hebreeuwse Universiteit in het laboratorium van Dr. Anahory.

Met behulp van deze microscoop, ze observeerden wervelingen die door een dunne supergeleidende film stromen met snelheden van tientallen GHz, en reizen met snelheden die veel sneller zijn dan eerder voor mogelijk werd gehouden - tot ongeveer 72.000 km/u (45.000 mph). Dit is niet alleen veel sneller dan de snelheid van het geluid, maar overschrijdt ook de paarbrekende snelheidslimiet van supergeleidend condensaat - wat betekent dat een vortex 50 keer sneller kan reizen dan de snelheidslimiet van de superstroom die hem aandrijft. Dit zou hetzelfde zijn als het besturen van een object om in iets meer dan 30 minuten rond de aarde te reizen.

In foto's en video's die voor het eerst worden getoond, de vortextrajecten verschijnen als uitgesmeerde lijnen die van de ene kant van de film naar de andere gaan. Dit is vergelijkbaar met het vervagen van afbeeldingen in foto's van snel bewegende objecten. Ze tonen een boomachtige structuur met een enkele stengel die een reeks vertakkingen in takken ondergaat. Deze kanaalstroom is nogal verrassend omdat wervels elkaar normaal gesproken afstoten en zich zoveel mogelijk proberen uit te spreiden. Hier hebben wervels de neiging om elkaar te volgen, die de boomachtige structuur genereert.

Een team van theoretisch fysici uit de VS en België, onder leiding van professoren Alexander Gurevich en Milorad Miloševi?, verklaarde deze bevinding gedeeltelijk door het feit dat wanneer een vortex beweegt, het verschijnen van weerstand verwarmt plaatselijk het materiaal, waardoor het voor het volgen van draaikolken gemakkelijker wordt om dezelfde route af te leggen.

"Dit werk biedt inzicht in de fundamentele fysica van vortexdynamica in supergeleiders, cruciaal voor veel toepassingen, " zei Dr. Lior Embon, wie was, destijds, de student die deze studie leidt. "Deze bevindingen kunnen essentieel zijn voor de verdere ontwikkeling van supergeleidende elektronica, het openen van nieuwe uitdagingen voor theorieën en experimenten in het nog onontgonnen gebied van zeer hoge elektromagnetische velden en stromen."

"Het onderzoek toont aan dat de SQUID-op-tip-techniek enkele openstaande problemen van niet-evenwichtige supergeleiding kan aanpakken, ultrasnelle wervels en vele andere magnetische verschijnselen op nanometerschaal, " zei dr. Yonathan Anahory, hoofddocent aan het Racah Institute of Physics van de Hebreeuwse Universiteit.

Verder, simulatieresultaten verkregen door Ph.D. student ?eljko Jeli? uit België suggereren dat door een goed monsterontwerp en verbeterde warmteafvoer het mogelijk moet zijn om nog hogere snelheden te bereiken. In dat regime de berekende penetratiefrequenties van wervels kunnen worden geduwd naar de technologisch zeer gewenste THz-frequentiekloof.

Het onderzoek onthult de rijke fysica van ultrasnelle wervels in supergeleidende films, en biedt een brede kijk op verder experimenteel en theoretisch onderzoek. In de toekomst, deze technologie zou onderzoekers in staat kunnen stellen ontwerpen te testen die gericht zijn op het verminderen van vortexbeweging en het verbeteren van de eigenschappen van supergeleiders.