Supergeleiders bevatten kleine tornado's van superstroom, vortexfilamenten genoemd, die weerstand creëren wanneer ze bewegen. Dit heeft invloed op de manier waarop supergeleiders een stroom geleiden.

Maar een magneetgestuurde "schakelaar" in supergeleiderconfiguratie biedt ongekende flexibiliteit bij het beheren van de locatie van vortexfilamenten, het veranderen van de eigenschappen van de supergeleider, volgens een nieuw artikel in Nature Nanotechnology.

"We werken aan supergeleiders en hoe we ze beter kunnen maken voor toepassingen, " zei Boldizsár Jankó professor in de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Notre Dame en co-corresponderende auteur van het artikel. "Een van de grootste problemen in supergeleidertechnologie is dat de meeste van hen deze filamenten hebben, deze kleine tornado's van superstroom. Wanneer deze bewegen, dan heb je weerstand."

Onderzoekers hebben geprobeerd nieuwe apparaten en nieuwe technologieën te ontwerpen om "vast te pinnen, " of vastmaken, deze filamenten naar een bepaalde positie. Eerdere pogingen om de filamenten vast te pinnen, zoals het bestralen of boren van gaten in de supergeleider, resulteerde in statische, onveranderlijke arrays, of bestelde arrangementen van filamenten. een nieuwe, dynamisch systeem ontdekt door Jankó en medewerkers zal voortdurende aanpassingen mogelijk maken, de eigenschappen van het materiaal in de loop van de tijd veranderen. De resultaten van het onderzoek zijn op 11 juni gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie in een paper met de titel "Switchable geometrische frustratie in een kunstmatig-spin-ijs/supergeleider hetero-systeem."

De oplossing van de medewerkers bedekt de supergeleider met een kunstmatig spin-ijs dat bestaat uit een reeks op elkaar inwerkende staafmagneten op nanoschaal. Het herschikken van de magnetische oriëntaties van die nanostaafmagneten resulteert in een realtime herschikking van de pinning op de supergeleidende site. Dit maakt meerdere, omkeerbare draaicyclusconfiguraties voor de wervels. Spin is een natuurlijk deeltje, impulsmoment.

"De belangrijkste ontdekking hier is ons vermogen om deze draaiende sites omkeerbaar te herconfigureren en in plaats van slechts één draaicyclusconfiguratie voor de wervels, we hebben er nu veel, en we kunnen ze heen en weer schakelen, " zei Jankó. De magnetische ladingen hebben hetzelfde pinning-effect als geboorde gaten in andere systemen, maar zijn niet beperkt tot een statische configuratie, hij beschreef. Bijvoorbeeld, de magneten zouden kunnen worden opgesteld om meer of minder weerstand in de supergeleider te creëren. De elementaire eenheid zou potentieel kunnen worden gecombineerd tot een schakeling die in staat is tot logische manipulatie.

Yong-Lei Wang, onderzoeksassistent-professor bij de afdeling Natuurkunde en co-eerste/co-corresponderende auteur op het papier, die ook verbonden is aan Argonne National Laboratory en Nanjing University, eerder een kunstmatige spinstructuur had beschreven, of magnetische lading ijs, die kunnen worden afgestemd op verschillende relatief stabiele configuraties. De structuren worden ijs genoemd omdat ze atomaire vervormingen met patronen omvatten die vergelijkbaar zijn met die van zuurstofbindingen wanneer water bevriest. In de huidige studie, Jankó stelde voor het systeem toe te passen op supergeleiders.

"We hebben aangetoond dat onconventionele kunstmatige-spin-ijsgeometrieën de ladingsverdeling van een kunstmatig vierkant-spin-ijssysteem kunnen nabootsen, waardoor ongekende controle over de laadlocaties via lokale en externe magnetische velden mogelijk is, " Wang zei. "We laten nu zien dat een dergelijke controle over magnetische ladingen kan worden benut bij de controle van kwantumfluxen in een spin-ijs / supergeleider heterostructuur." Hij voegde eraan toe dat het succes het gevolg was van nauwe samenwerking tussen experimentatoren en theoretici.

Omdat de controle van de kwantumfluxen moeilijk te visualiseren is in een experiment, simulaties nodig waren om de resultaten met succes te reproduceren, zei Xiaoyu Ma, een doctoraatsstudent bij de afdeling Natuurkunde die de computersimulatie in het onderzoek uitvoerde en de co-eerste auteur van het papier is. Dankzij de simulaties konden onderzoekers de gedetailleerde processen zien. "Het aantal vortexconfiguraties dat we kunnen realiseren is enorm, en we kunnen ze site voor site ontwerpen en lokaal herconfigureren, ' zei ma. 'Dit is nog nooit eerder gerealiseerd.'

Het onderzoek zal naar verwachting een nieuwe setting op nanoschaal bieden voor het ontwerp en de manipulatie van geometrische orde en frustratie - een belangrijk fenomeen in magnetisme dat verband houdt met de rangschikking van spins - in een breed scala van materiële systemen, merkte Wang op. Deze omvatten magnetische skyrmionen, tweedimensionale materialen, topologische isolatoren/halfmetalen en colloïden in zachte materialen.

"Dit kan leiden tot nieuwe functionaliteiten, " zei Wang. "We geloven dat dit werk een nieuwe richting zal openen in de toepassing van geometrische gefrustreerde materiaalsystemen."