Uma equipe internacional de cientistas da Áustria, Alemanha, e a Ucrânia encontrou um novo sistema supercondutor no qual os quanta de fluxo magnético podem se mover a velocidades de 10 a 15 km / s. Isso abre o acesso a investigações da rica física de sistemas coletivos sem equilíbrio e torna um supercondutor Nb-C de gravação direta como um material candidato para detectores de fóton único. Os resultados são publicados em Nature Communications .

A supercondutividade é um fenômeno físico que ocorre em baixas temperaturas em muitos materiais, que se manifesta por meio do desaparecimento da resistência elétrica e da expulsão de campos magnéticos do interior do material. Supercondutores já são usados ​​para imagens médicas, circuitos digitais rápidos ou magnetômetros sensíveis e possuem um grande potencial para novas aplicações. Contudo, a condutividade da maioria dos supercondutores tecnologicamente importantes, na verdade, não é "super". Nestes supercondutores do tipo II, um campo magnético externo penetra no material na forma de linhas quantizadas de fluxo magnético. Essas linhas de fluxo são conhecidas como vórtices de Abrikosov, em homenagem a Alexei Abrikosov, cuja previsão lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 2003. Já com correntes elétricas moderadamente fortes, os vórtices começam a se mover e o supercondutor não consegue mais carregar a corrente sem resistência.

Na maioria dos supercondutores, um estado de baixa resistência é limitado por velocidades de vórtice da ordem de 1 km / s definindo os limites práticos de uso de supercondutores em várias aplicações. Ao mesmo tempo, tais velocidades não são altas o suficiente para abordar a rica física genérica para sistemas coletivos de não-equilíbrio. Agora, uma equipe internacional de cientistas da Universidade de Viena, a Goethe University Frankfurt, o Instituto de Microestruturas de RAS, a Universidade Nacional V. Karazin de Kharkiv, o Instituto B. Verkin de Física e Engenharia de Baixa Temperatura de NAS encontrou um novo sistema supercondutor no qual os quanta de fluxo magnético podem se mover a velocidades de 10 a 15 km / s. O novo supercondutor exibe uma rara combinação de propriedades - alta uniformidade estrutural, grande corrente crítica e relaxamento rápido de elétrons aquecidos. A combinação dessas propriedades garante que o fenômeno de instabilidade fluxo-fluxo - transição abrupta de um supercondutor do estado de baixa resistência para o estado de condução normal - ocorra em correntes de transporte suficientemente grandes.

"Nos últimos anos, apareceram trabalhos experimentais e teóricos apontando para uma questão notável; tem sido argumentado que os vórtices movidos por corrente podem se mover ainda mais rápido do que os portadores de carga supercondutora, "diz Oleksandr Dobrovolskiy, autor principal da publicação recente em Nature Communications e chefe do Laboratório de Supercondutividade e Spintrônica da Universidade de Viena. "Contudo, esses estudos usaram estruturas localmente não uniformes. Inicialmente, trabalhamos com filmes limpos de alta qualidade, mas depois descobriu-se que os supercondutores sujos são os melhores materiais candidatos para suportar a dinâmica de vórtice ultrarrápida. Embora a fixação intrínseca nestes não seja necessariamente tão fraca quanto em outros supercondutores amorfos, o relaxamento rápido dos elétrons aquecidos se torna o fator dominante, permitindo o movimento de vórtice ultrarrápido. "

Para suas investigações, os pesquisadores fabricaram um supercondutor Nb-C por deposição induzida por feixe de íons focalizado no grupo do Prof. Michael Huth na Universidade Goethe em Frankfurt am Main, Alemanha. Notavelmente, além de velocidades de vórtice ultrarrápidas em Nb-C, a tecnologia de nanofabricação de gravação direta permite a fabricação de nanoarquitetura de formas complexas e circuitos fluxônicos 3-D com interconectividade intrincada que pode encontrar aplicação no processamento de informações quânticas.

Desafios para investigações de matéria de vórtice ultrarrápido

“Para atingir a corrente máxima que um supercondutor pode carregar, a chamada corrente de emparelhamento, são necessárias amostras bastante uniformes em uma escala de comprimento macroscópica, o que é parcialmente devido a pequenos defeitos em um material. Alcançar a corrente desfavorável não é apenas um problema fundamental, mas também é importante para aplicativos; uma faixa supercondutora de largura de micrômetro pode ser comutada para um estado resistivo por um único infravermelho próximo ou fóton óptico se a faixa for polarizada por uma corrente próxima ao valor da corrente de desemparelhamento, como foi previsto e confirmado em experimentos recentes. Esta abordagem abre perspectivas para a construção de detectores de fóton único de grande área que podem ser usados, por exemplo, microscopia confocal, criptografia quântica de espaço livre, comunicação óptica do espaço profundo, "diz Denis Vodolazov, pesquisador sênior do Institute for Microstructures of RAS, Rússia.

Os pesquisadores estudaram com sucesso o quão rápido os vórtices podem se mover em tiras supercondutoras Nb-C sujas com uma corrente crítica no campo magnético zero perto da corrente de emparelhamento. Seus resultados indicam que a instabilidade do fluxo de fluxo começa perto da borda onde os vórtices entram na amostra por causa da densidade de corrente aumentada localmente. Isso oferece insights sobre a aplicabilidade de modelos de instabilidade de fluxo de fluxo amplamente usados ​​e sugere que o Nb-C seja um bom material candidato para detectores rápidos de fóton único.