Het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft met succes aangetoond dat een nieuw type optische magnetometer, de NV-magnetoscoop, kan een uniek kenmerk van supergeleidende materialen in kaart brengen dat samen met nulweerstand de supergeleiding zelf definieert.

Dat unieke kenmerk is het Meissner-effect, dat is de uitdrijving van het magnetische veld tijdens de overgang van een materiaal naar een supergeleidende toestand.

"Het Meissner-effect is de kenmerkende handtekening van een echte supergeleider, die het scheidt van een hypothetisch perfect metaal zonder weerstand, " zei Ruslan Prozorov, een Ames Laboratory-fysicus die een expert is in supergeleiding en magnetisme bij lage temperaturen. "Dat is prima in leerboeken en in principe, maar in echte supergeleidende materialen is het Meissner-effect behoorlijk gecompliceerd. Robuuste afscherming van een magnetisch veld door een supergeleidend monster en Meissner-expulsie bij afkoeling in een magnetisch veld kan verward worden. Dit effect is eigenlijk heel zwak en kwetsbaar en moeilijk waar te nemen."

Tot nu, natuurkundigen hebben het Meissner-effect kunnen waarnemen, maar waren niet in staat om de ruimtelijke verdeling in het materiaal te visualiseren en hoe die zou kunnen variëren tussen verschillende supergeleidende verbindingen. Nu is het mogelijk om unieke en onderscheidende kenmerken van het Meissner-effect in kaart te brengen, met behulp van een zeer gevoelige magnetoscoop die profiteert van de kwantumtoestand van een bepaald soort atoomdefect, zogenaamde stikstof-leegstand (NV) centra, in diamant.

Hoewel de wetenschap achter het gebruik van NV-centra als sensoren bekend is, wetenschappers van Ames Laboratory wilden weten of de technologie kan worden gebruikt om magnetische velden met een ongekende gevoeligheid en goede ruimtelijke resolutie te onderzoeken en deze toe te passen bij het bestuderen van verschillende magnetische en supergeleidende materialen.

"Deze techniek, die minimaal invasief en extreem gevoelig is, is geïmplementeerd in een optisch apparaat dat met succes werkt terwijl monsters zich bij lage temperaturen bevinden (4 graden boven het absolute nulpunt), die nodig is voor de exploratie van kwantummaterialen. Dit was geen triviale onderneming, ’ zei Prozorov.

Een lid van de groep van Prozorov, Ames Laboratoriumwetenschapper Naufer Nusran, leidde de ontwikkeling van deze unieke set-up, en het huidige werk gebruikte diamantfilm met NV-centra die direct onder het oppervlak werden geïmplanteerd om variatie op grotere schaal van de magnetische velden te meten. Dit is het eerste wetenschappelijke artikel dat is gepubliceerd om de ruimtelijke verdeling van het Meissner-effect te meten met behulp van een NV-magnetoscoop, bewijzen dat de techniek werkt en klaar is om ingezet te worden om nog complexere problemen te bestuderen.

Nusran werkte ook samen met het Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij Argonne National Laboratory, om de pilaren van diamant op nanoschaal te ontwerpen en te fabriceren, elk met een enkel NV-centrum, voor de constructie van de magnetoscoop, die drie jaar duurde. Inzet van deze sensoren, nu gehuisvest in Ames Laboratory's ultra-low noise Sensitive Instrumentation Facility (SIF), is de volgende stap in het onderzoek voor de Prozorov-groep in het nieuwe lab.

Het heeft al tot grote verrassingen geleid.

Op ijzer gebaseerde supergeleiders, beschouwd als een van de meest robuuste, vertoonde praktisch niets van dat "kenmerkende" Meissner-effect.

"Dit is een grote puzzel en we hebben geen verklaring, "zei Prozorov. "Het zal een opwindende nieuwe weg in onderzoek zijn om te begrijpen waarom dit gebeurt."

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper, "Ruimtelijk opgeloste studie van het Meissner-effect in supergeleiders met behulp van NV-centers-in-diamond optische magnetometrie, " geschreven door N.M. Nusran, KR Joshi, K Cho, MA Tanatar, WR Meier, S.L. Bud'ko, pc Canfield, Y. Liu, TA Loggrasso, en R. Prozorov; en gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .