Los superconductores contienen pequeños tornados de supercorriente, llamados filamentos de vórtice, que crean resistencia cuando se mueven. Esto afecta la forma en que los superconductores transportan una corriente.

Pero un "interruptor" controlado por imán en configuración de superconductor proporciona una flexibilidad sin precedentes en la gestión de la ubicación de los filamentos de vórtice, alterar las propiedades del superconductor, según un nuevo artículo en Nature Nanotechnology.

"Trabajamos en superconductores y cómo mejorarlos para las aplicaciones, ", dijo el profesor Boldizsár Jankó en el Departamento de Física de la Universidad de Notre Dame y coautor correspondiente del artículo." Uno de los principales problemas en la tecnología de superconductores es que la mayoría de ellos tienen estos filamentos, estos pequeños tornados de supercorriente. Cuando estos se mueven, entonces tienes resistencia ".

Los investigadores han intentado diseñar nuevos dispositivos y nuevas tecnologías para "anclar, "o sujetar, estos filamentos a una posición especificada. Esfuerzos previos para fijar los filamentos, como irradiar o perforar agujeros en el superconductor, resultó en estática, matrices inmutables, o arreglos ordenados de filamentos. Un nuevo sistema dinámico descubierto por Jankó y colaboradores permitirá ajustes continuos, alterando las propiedades del material a lo largo del tiempo. Los resultados de la investigación fueron publicados el 11 de junio en Nanotecnología de la naturaleza en un artículo titulado "Frustración geométrica conmutable en un hetero-sistema de hielo de espín artificial / superconductor".

La solución de los colaboradores recubre el superconductor con un hielo de espín artificial que consiste en una matriz de imanes de barra a nanoescala que interactúan. La reorganización de las orientaciones magnéticas de esos imanes de nanobarras da como resultado una reorganización en tiempo real de la fijación en el sitio superconductor. Esto hace posible múltiples, configuraciones de ciclo de centrifugado reversible para los vórtices. Spin es natural de una partícula, momento angular.

"El principal descubrimiento aquí es nuestra capacidad para reconfigurar estos sitios de hilado de forma reversible y, en lugar de tener solo una configuración de ciclo de giro para los vórtices, ahora tenemos muchos, y podemos cambiarlos de un lado a otro, Jankó dijo. Las cargas magnéticas tienen el mismo efecto de fijación que los orificios perforados en otros sistemas, pero no se limitan a una configuración estática, él describió. Por ejemplo, los imanes podrían disponerse para crear más o menos resistencia en el superconductor. La unidad elemental podría potencialmente combinarse en un circuito capaz de manipulación lógica.

Yong-Lei Wang, profesor asistente de investigación en el Departamento de Física y co-primer / co-autor correspondiente del artículo, quien también está afiliado al Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Nanjing, había descrito previamente una estructura de espín artificial, o hielo de carga magnética, que podría ajustarse a varias configuraciones relativamente estables. Las estructuras se denominan hielo porque implican deformaciones atómicas modeladas similares a las de los enlaces de oxígeno cuando el agua se congela. En el estudio actual, Jankó propuso aplicar el sistema a superconductores.

"Demostramos que las geometrías de hielo de espín artificial no convencionales pueden imitar la distribución de carga de un sistema de hielo de espín cuadrado artificial, permitiendo un control sin precedentes sobre las ubicaciones de carga a través de campos magnéticos locales y externos, Wang dijo. "Demostramos ahora que tal control sobre las cargas magnéticas se puede explotar en el control de los flujos cuánticos en una heteroestructura de espín-hielo / superconductor". Agregó que el éxito resultó de la estrecha colaboración entre experimentales y teóricos.

Debido a que el control de los flujos cuánticos es difícil de visualizar en un experimento, se requirieron simulaciones para reproducir con éxito los resultados, dijo Xiaoyu Ma, un estudiante de doctorado en el Departamento de Física que realizó la simulación por computadora en el estudio y es el co-primer autor del artículo. Las simulaciones permitieron a los investigadores ver los procesos detallados involucrados. "La cantidad de configuraciones de vórtice que podemos realizar es enorme, y podemos diseñarlos y reconfigurarlos localmente sitio por sitio, "Ma dijo." Esto nunca antes se había dado cuenta ".

Se espera que la investigación proporcione un nuevo escenario a nanoescala para el diseño y la manipulación del orden geométrico y la frustración, un fenómeno importante en el magnetismo relacionado con la disposición de los espines, en una amplia gama de sistemas de materiales. Wang señaló. Estos incluyen skyrmions magnéticos, materiales bidimensionales, aislantes topológicos / semimetales y coloides en materiales blandos.

"Esto podría conducir a nuevas funcionalidades, Wang dijo. "Creemos que este trabajo abrirá una nueva dirección en la aplicación de sistemas geométricos de materiales frustrados".