Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een methode ontwikkeld om nauwkeurig de "exacte rand" of het begin te meten waarop een magnetisch veld een supergeleidend materiaal binnengaat. De kennis van deze drempel - het lagere kritische veld genoemd - speelt een cruciale rol bij het ontwarren van de moeilijkheden die het bredere gebruik van supergeleiding in nieuwe technologieën hebben verhinderd.

In de fysica van de gecondenseerde materie, wetenschappers maken onderscheid tussen verschillende supergeleidende toestanden. Wanneer geplaatst in een magnetisch veld, het bovenste kritische veld is de sterkte waarmee het supergeleidend gedrag in een materiaal volledig vernietigt. Het Meissner-effect kan worden gezien als het tegenovergestelde, wat gebeurt wanneer een materiaal overgaat in een supergeleidende toestand, een magnetisch veld volledig uit zijn binnenste verdrijven, zodat het wordt teruggebracht tot nul bij een kleine (typisch minder dan een micrometer) karakteristieke lengte, de Londense penetratiediepte genoemd.

Maar wat gebeurt er in het grijze gebied tussen de twee? Vrijwel alle supergeleiders zijn geclassificeerd als type II, wat betekent dat bij grotere magnetische velden, ze vertonen geen volledig Meissner-effect. In plaats daarvan, ze ontwikkelen een gemengde toestand, met gekwantiseerde magnetische wervels - Abrikosov-wervels genoemd - die het materiaal doorsnijden, het vormen van een tweedimensionaal vortexrooster, en het gedrag van supergeleiders aanzienlijk beïnvloedt. Het belangrijkste is, deze wervels kunnen worden rondgeduwd door stromende elektrische stroom, waardoor supergeleiding verdwijnt.

Het punt waarop deze wervels voor het eerst een supergeleider beginnen binnen te dringen, wordt het onderste kritische veld genoemd, een die notoir moeilijk te meten is vanwege een vervorming van het magnetische veld nabij de randen van het monster. Echter, kennis op dit gebied is nodig om supergeleiders beter te begrijpen en aan te sturen voor gebruik in toepassingen.

"De grenslijn, de temperatuurafhankelijke waarde van het magnetische veld waarbij dit gebeurt, is zeer belangrijk; de aanwezigheid van Abrikosov-wervels verandert het gedrag van de supergeleider aanzienlijk, " zei Ruslan Prozorov, een Ames Laboratory-fysicus die een expert is in supergeleiding en magnetisme. "Veel van de toepassingen waarvoor we supergeleiding willen gebruiken, zoals de transmissie van elektriciteit, worden gehinderd door het bestaan ​​van deze vortexfase."

Om de nieuwe techniek te valideren die is ontwikkeld om deze grenslijn te meten, Prozorov en zijn team onderzochten drie reeds goed bestudeerde supergeleidende materialen. Ze gebruikten een recent ontwikkelde optische magnetometer die voordeel haalt uit de kwantumtoestand van een bepaald soort atoomdefect, zogenaamde stikstof-leegstand (NV) centra, in diamant. Het zeer gevoelige instrument stelde de wetenschappers in staat om zeer kleine afwijkingen in het magnetische signaal zeer dicht bij de monsterrand te meten en het begin van wervelpenetratie te detecteren.

"Onze methode is niet-invasief, zeer nauwkeurig en heeft een betere ruimtelijke resolutie dan eerder gebruikte methoden, ’ zei Prozorov.

In aanvulling, theoretische berekeningen uitgevoerd samen met een andere wetenschapper van Ames Laboratory, Vladimir Kogan, toegestaan ​​extractie van de lagere kritische veldwaarden van het gemeten begin van vortexpenetratie.