Een internationaal team van wetenschappers uit Oostenrijk, Duitsland, en Oekraïne heeft een nieuw supergeleidend systeem gevonden waarin magnetische fluxquanta met snelheden van 10 tot 15 km/s kunnen bewegen. Dit opent de toegang tot onderzoek naar de rijke fysica van niet-evenwichtscollectieve systemen en maakt een direct-write Nb-C-supergeleider als kandidaatmateriaal voor enkel-fotondetectoren. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Supergeleiding is een natuurkundig fenomeen dat zich bij lage temperaturen in veel materialen voordoet en zich manifesteert door een verdwijnende elektrische weerstand en de uitdrijving van magnetische velden uit het inwendige van het materiaal. Supergeleiders worden al gebruikt voor medische beeldvorming, snelle digitale circuits of gevoelige magnetometers en bieden een groot potentieel voor verdere toepassingen. Echter, de geleidbaarheid van de meeste technologisch belangrijke supergeleiders is in feite niet "super". In deze zogenaamde type II supergeleiders dringt een extern magnetisch veld het materiaal binnen in de vorm van gekwantiseerde lijnen van magnetische flux. Deze fluxlijnen staan ​​bekend als Abrikosov-wervels, genoemd naar Alexei Abrikosov wiens voorspelling hem in 2003 de Nobelprijs voor Natuurkunde opleverde. Reeds bij matig sterke elektrische stromen, de wervels beginnen te bewegen en de supergeleider kan de stroom niet meer zonder weerstand dragen.

In de meeste supergeleiders, een toestand met lage weerstand wordt beperkt door vortexsnelheden in de orde van grootte van 1 km/s die de praktische limieten bepalen voor het gebruik van supergeleiders in verschillende toepassingen. Tegelijkertijd, dergelijke snelheden zijn niet hoog genoeg om de rijke fysica aan te pakken die generisch is voor collectieve systemen die niet in evenwicht zijn. Nutsvoorzieningen, een internationaal team van wetenschappers van de Universiteit van Wenen, de Goethe-universiteit Frankfurt, het Instituut voor Microstructuren van RAS, de V. Karazin Nationale Universiteit van Charkov, het B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering van NAS heeft een nieuw supergeleidend systeem gevonden waarin magnetische fluxquanta met snelheden van 10 tot 15 km/s kunnen bewegen. De nieuwe supergeleider vertoont een zeldzame combinatie van eigenschappen:hoge structurele uniformiteit, grote kritische stroom en snelle relaxatie van verwarmde elektronen. De combinatie van deze eigenschappen zorgt ervoor dat het fenomeen van flux-flow instabiliteit - abrupte overgang van een supergeleider van de laagohmige naar de normaal geleidende toestand - plaatsvindt bij voldoende grote transportstromen.

"In recente jaren, er zijn experimentele en theoretische werken verschenen die wijzen op een opmerkelijke kwestie; er is beweerd dat door stroom aangedreven wervels zelfs sneller kunnen bewegen dan de supergeleidende ladingsdragers, " zegt Oleksandr Dobrovolskiy, hoofdauteur van de recente publicatie in Natuurcommunicatie en hoofd van het Supergeleidings- en Spintronica-laboratorium aan de Universiteit van Wenen. "Echter, deze studies gebruikten lokaal niet-uniforme structuren. aanvankelijk, we werkten met hoogwaardige schone films, maar later bleek dat vuile supergeleiders betere kandidaatmaterialen zijn om ultrasnelle vortexdynamica te ondersteunen. Hoewel de intrinsieke pinning hierin niet noodzakelijkerwijs zo zwak is als in andere amorfe supergeleiders, de snelle relaxatie van verwarmde elektronen wordt de dominante factor die ultrasnelle vortexbeweging mogelijk maakt."

Voor hun onderzoek fabriceerden de onderzoekers een Nb-C-supergeleider door gefocusseerde ionenbundel-geïnduceerde depositie in de groep van prof. Michael Huth aan de Goethe-universiteit in Frankfurt am Main, Duitsland. Opmerkelijk, naast ultrasnelle vortexsnelheden in Nb-C, de direct-write nanofabrication-technologie maakt het mogelijk om complexe nano-architecturen en 3-D fluxonic-circuits te fabriceren met ingewikkelde interconnectiviteit die toepassing kan vinden in de verwerking van kwantuminformatie.

Uitdagingen voor onderzoek naar ultrasnelle vortexmaterie

"Om de maximale stroom te bereiken die een supergeleider kan dragen, de zogenaamde depairing-stroom, men heeft tamelijk uniforme monsters nodig over een macroscopische lengteschaal die gedeeltelijk te wijten is aan kleine defecten in een materiaal. Het bereiken van de verslechterende stroom is niet alleen een fundamenteel probleem, maar het is ook belangrijk voor toepassingen; een micrometer-brede supergeleidende strip kan in een resistieve toestand worden geschakeld door een enkel nabij-infrarood of optisch foton als de strip wordt beïnvloed door een stroom die dicht bij de verslechterende stroomwaarde ligt, zoals werd voorspeld en bevestigd in recente experimenten. Deze benadering opent perspectieven voor het bouwen van enkelvoudige fotondetectoren met een groot oppervlak die kunnen worden gebruikt in b.v. confocale microscopie, kwantumcryptografie in de vrije ruimte, diepe ruimte optische communicatie, " zegt Denis Vodolazov, senior onderzoeker bij het Instituut voor Microstructuren van RAS, Rusland.

De onderzoekers hebben met succes bestudeerd hoe snelle wervels kunnen bewegen in vuile Nb-C supergeleidende strips met een kritische stroom bij een magnetisch veld van nul dichtbij de verslechterende stroom. Hun resultaten geven aan dat de instabiliteit van de fluxstroom begint bij de rand waar wervels het monster binnenkomen vanwege de lokaal verhoogde stroomdichtheid. Dit biedt inzicht in de toepasbaarheid van veelgebruikte modellen voor instabiliteit van de fluxstroom en suggereert dat Nb-C een goed kandidaatmateriaal is voor snelle enkel-fotondetectoren.