O Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA demonstrou com sucesso que um novo tipo de magnetômetro óptico, o magnetoscópio NV, pode mapear uma característica única de materiais supercondutores que, juntamente com a resistência zero, define a própria supercondutividade.

Esse recurso único é o efeito Meissner, que é a expulsão do campo magnético durante a transição de um material para um estado supercondutor.

"O efeito Meissner é a marca registrada de um verdadeiro supercondutor, que o separa de um metal perfeito hipotético com resistência zero, "disse Ruslan Prozorov, um físico do Ames Laboratory que é especialista em supercondutividade e magnetismo em baixas temperaturas. "Isso é bom em livros didáticos e, em princípio, mas em materiais supercondutores reais, o efeito Meissner é bastante complicado. A triagem robusta de um campo magnético por uma amostra supercondutora e a expulsão de Meissner após o resfriamento em um campo magnético podem ser confundidas. Na verdade, esse efeito é muito fraco, frágil e difícil de observar. "

Até agora, físicos foram capazes de observar o efeito Meissner, mas foram incapazes de visualizar sua distribuição espacial no material e como isso pode variar entre os diferentes compostos supercondutores. Agora é possível mapear características únicas e distintas do efeito Meissner, usando um magnetoscópio muito sensível que aproveita o estado quântico de um tipo particular de defeito atômico, chamados centros de vacância de nitrogênio (NV), em diamante.

Embora a ciência por trás do uso de centros NV como sensores seja conhecida, cientistas do Ames Laboratory queriam saber se a tecnologia poderia ser aproveitada para sondar campos magnéticos com sensibilidade sem precedentes e boa resolução espacial e aplicá-la ao estudo de vários materiais magnéticos e supercondutores.

"Esta técnica, que é minimamente invasivo e extremamente sensível, é implementado em um dispositivo óptico que opera com sucesso enquanto as amostras estão em baixas temperaturas (4 graus acima do zero absoluto), que é necessário para a exploração de materiais quânticos. Esta não foi uma tarefa trivial, "disse Prozorov.

Um membro do grupo de Prozorov, Naufer Nusran, cientista do Ames Laboratory, liderou o desenvolvimento desta configuração única, e o trabalho atual usou filme de diamante com centros NV implantados logo abaixo da superfície para medir a variação em larga escala dos campos magnéticos. Este é o primeiro artigo científico publicado medindo a distribuição espacial do efeito Meissner usando um magnetoscópio NV, comprovando que a técnica funciona e está pronta para ser implantada para estudar problemas ainda mais complexos.

Nusran também fez parceria com o Center for Nanoscale Materials, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Argonne National Laboratory, para projetar e fabricar os pilares em nanoescala do diamante, cada um com um único centro NV, para a construção do magnetoscópio, que demorou três anos. Implantação desses sensores, agora alojado no Laboratório Ames de ultra-baixo ruído Sensitive Instrumentation Facility (SIF), é a próxima etapa da pesquisa do grupo Prozorov no novo laboratório.

Já trouxe algumas grandes surpresas.

Supercondutores à base de ferro, considerados alguns dos mais robustos, não mostrou praticamente nada daquele efeito Meissner "marca registrada".

"Este é um grande quebra-cabeça e não temos explicação, "disse Prozorov." Será um novo e excitante caminho de pesquisa para entender por que isso acontece. "

A pesquisa é discutida mais detalhadamente no artigo, "Estudo resolvido espacialmente do efeito Meissner em supercondutores usando magnetometria óptica NV-centers-in-diamond, "de autoria de N.M. Nusran, K. R. Joshi, K Cho, M. A. Tanatar, W.R. Meier, S. L. Bud'ko, P.C. Canfield, Y. Liu, T.A. Lograsso, e R. Prozorov; e publicado no New Journal of Physics .