Os pesquisadores fizeram a primeira observação visual direta e medição da dinâmica de vórtice ultrarrápida em supercondutores. Sua técnica, detalhado no jornal Nature Communications , poderia contribuir para o desenvolvimento de novas aplicações práticas, otimizando propriedades supercondutoras para uso em eletrônica.

A supercondutividade é um estado da matéria no qual uma corrente elétrica pode fluir sem absolutamente nenhuma resistência. Isso ocorre quando certos materiais são resfriados abaixo de uma temperatura crítica. O efeito é útil para vários aplicativos, de trens com levitação magnética a máquinas de ressonância magnética e aceleradores de partículas. Ele também desperta a imaginação com pensamentos de transferência de energia sem perdas e computação muito mais rápida.

Contudo, supercondutividade é, de um modo geral, suprimido na presença de campos magnéticos, limitando a capacidade de usar esses materiais em aplicações da vida real. Uma certa família de supercondutores, chamado tipo 2, pode suportar valores muito mais elevados de campos magnéticos. Isso se deve à sua capacidade de permitir que o campo magnético atravesse o material de maneira quantizada, em uma forma tubular local chamada vórtice. Infelizmente, na presença de correntes elétricas, esses vórtices sofrem uma força e podem começar a se mover. O movimento dos vórtices permite resistência elétrica, que, novamente, representa um obstáculo para as aplicações.

Compreender quando e como os vórtices irão se mover ou permanecer localizados é o foco de muitas pesquisas científicas. Até agora, abordar experimentalmente a física de vórtices que se movem rapidamente tem se mostrado extremamente desafiador, principalmente por causa da falta de ferramentas adequadas.

Agora uma equipe internacional de pesquisadores, liderado pelo Prof. Eli Zeldov do Weizmann Institute of Science e Dr. Yonathan Anahory, conferencista sênior do Instituto de Física Racah da Universidade Hebraica de Jerusalém, mostrou pela primeira vez como esses vórtices se movem em materiais supercondutores e quão rápido eles podem viajar.

Eles usaram uma nova técnica de microscopia chamada varredura SQUID-on-tip, que permite imagens magnéticas em alta resolução sem precedentes (cerca de 50 nm) e sensibilidade magnética. A técnica foi desenvolvida ao longo da última década no Instituto Weizmann por uma grande equipe, incluindo Ph.D. estudante Lior Embon e Ella Lachman e está atualmente sendo implementado na Universidade Hebraica no laboratório da Dra. Anahory também.

Usando este microscópio, eles observaram vórtices fluindo através de um fino filme supercondutor a taxas de dezenas de GHz, e viajando a velocidades muito mais rápidas do que se pensava ser possível - até cerca de 72.000 km / h (45.000 mph). Isso não é apenas muito mais rápido do que a velocidade do som, mas também excede o limite de velocidade de quebra de pares de condensado supercondutor - o que significa que um vórtice pode viajar 50 vezes mais rápido do que o limite de velocidade da supercorrente que o impulsiona. Isso seria como dirigir um objeto para viajar ao redor da Terra em pouco mais de 30 minutos.

Em fotos e vídeos mostrados pela primeira vez, as trajetórias do vórtice aparecem como linhas manchadas que cruzam de um lado do filme para o outro. Isso é semelhante ao desfoque de imagens em fotografias de objetos em movimento rápido. Eles mostram uma estrutura semelhante a uma árvore com um único caule que sofre uma série de bifurcações em ramos. Esse fluxo de canal é bastante surpreendente, pois os vórtices normalmente se repelem e tentam se espalhar o máximo possível. Aqui os vórtices tendem a seguir uns aos outros, que gera a estrutura semelhante a uma árvore.

Uma equipe de físicos teóricos dos EUA e Bélgica, liderado pelos professores Alexander Gurevich e Milorad Miloševi ?, parcialmente explicado esta descoberta pelo fato de que quando um vórtice se move, o aparecimento de resistência aquece localmente o material, o que torna mais fácil seguir vórtices para percorrer a mesma rota.

"Este trabalho oferece uma visão sobre a física fundamental da dinâmica de vórtices em supercondutores, crucial para muitas aplicações, "disse o Dr. Lior Embon, quem era, no momento, o aluno responsável por este estudo. "Essas descobertas podem ser essenciais para um maior desenvolvimento da eletrônica supercondutora, abrindo novos desafios para teorias e experimentos na gama ainda inexplorada de campos e correntes eletromagnéticas muito altas. "

"A pesquisa mostra que a técnica SQUID-on-tip pode resolver alguns problemas pendentes de supercondutividade de desequilíbrio, vórtices ultrarrápidos e muitos outros fenômenos magnéticos em escala nanométrica, "disse o Dr. Yonathan Anahory, conferencista sênior do Instituto de Física Racah da Universidade Hebraica.

Além disso, resultados de simulação obtidos por Ph.D. estudante? eljko Jeli? da Bélgica sugerem que, por meio de um projeto de amostra adequado e uma melhor remoção de calor, seria possível atingir velocidades ainda mais altas. Nesse regime, as frequências calculadas de penetração de vórtices podem ser empurradas para o intervalo de frequência THz muito desejado tecnologicamente.

A pesquisa revela a rica física de vórtices ultrarrápidos em filmes supercondutores, e oferece uma perspectiva ampla para futuras investigações experimentais e teóricas. No futuro, esta tecnologia pode permitir aos pesquisadores testar projetos que visam reduzir o movimento do vórtice e melhorar as propriedades dos supercondutores.