Los investigadores han realizado la primera observación y medición visual directa de la dinámica de vórtice ultrarrápida en superconductores. Su técnica, detallado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría contribuir al desarrollo de nuevas aplicaciones prácticas optimizando las propiedades de los superconductores para su uso en electrónica.

La superconductividad es un estado de la materia en el que una corriente eléctrica puede fluir sin absolutamente ninguna resistencia. Esto ocurre cuando ciertos materiales se enfrían por debajo de una temperatura crítica. El efecto es útil para varias aplicaciones, desde trenes que levitan magnéticamente hasta máquinas de resonancia magnética y aceleradores de partículas. También despierta la imaginación con pensamientos de transferencia de energía sin pérdidas y cálculos mucho más rápidos.

Sin embargo, la superconductividad es, generalmente hablando, suprimido en presencia de campos magnéticos, limitando la capacidad de utilizar estos materiales en aplicaciones de la vida real. Una cierta familia de superconductores, llamado tipo 2, puede soportar valores mucho más altos de campos magnéticos. Esto se debe a su capacidad para permitir que el campo magnético pase a través del material de manera cuantificada, en una forma local de forma tubular llamada vórtice. Desafortunadamente, en presencia de corrientes eléctricas, estos vórtices experimentan una fuerza y ​​pueden comenzar a moverse. El movimiento de los vórtices permite la resistencia eléctrica, cuales, de nuevo, plantea un obstáculo para las aplicaciones.

Comprender cuándo y cómo se moverán o permanecerán localizados los vórtices es el foco de gran parte de la investigación científica. Hasta ahora, abordar la física de los vórtices que se mueven rápidamente de manera experimental ha demostrado ser extremadamente desafiante, principalmente por la falta de herramientas adecuadas.

Ahora un equipo internacional de investigadores, dirigido por el Prof. Eli Zeldov del Instituto de Ciencias Weizmann y el Dr. Yonathan Anahory, profesor titular del Instituto de Física Racah de la Universidad Hebrea de Jerusalén, ha demostrado por primera vez cómo estos vórtices se mueven en materiales superconductores y qué tan rápido pueden viajar.

Utilizaron una técnica de microscopía novedosa llamada escaneo SQUID-on-tip, que permite la obtención de imágenes magnéticas a una alta resolución sin precedentes (aproximadamente 50 nm) y sensibilidad magnética. La técnica fue desarrollada durante la última década en el Instituto Weizmann por un gran equipo que incluía a Ph.D. estudiante Lior Embon y Ella Lachman y actualmente también se está implementando en la Universidad Hebrea en el laboratorio del Dr. Anahory.

Usando este microscopio, observaron vórtices que fluían a través de una delgada película superconductora a velocidades de decenas de GHz, y viajar a velocidades mucho más rápidas de lo que se creía posible, hasta aproximadamente 72 000 km / h (45 000 mph). Esto no solo es mucho más rápido que la velocidad del sonido, pero también excede el límite de velocidad de ruptura de pares del condensado superconductor, lo que significa que un vórtice puede viajar 50 veces más rápido que el límite de velocidad de la supercorriente que lo impulsa. Esto sería como conducir un objeto para que viaje alrededor de la tierra en poco más de 30 minutos.

En las fotos y videos que se muestran por primera vez, las trayectorias de los vórtices aparecen como líneas manchadas que se cruzan de un lado a otro de la película. Esto es similar al desenfoque de imágenes en fotografías de objetos que se mueven rápidamente. Muestran una estructura en forma de árbol con un solo tallo que sufre una serie de bifurcaciones en ramas. Este flujo de canal es bastante sorprendente ya que los vórtices normalmente se repelen entre sí y tratan de extenderse tanto como sea posible. Aquí los vórtices tienden a seguirse unos a otros, que genera la estructura en forma de árbol.

Un equipo de físicos teóricos de EE. UU. Y Bélgica, dirigido por los profesores Alexander Gurevich y Milorad Miloševi ?, Explicó parcialmente este hallazgo por el hecho de que cuando un vórtice se mueve, la aparición de resistencia calienta localmente el material, lo que facilita que los siguientes vórtices viajen por la misma ruta.

"Este trabajo ofrece una visión de la física fundamental de la dinámica de vórtices en superconductores, crucial para muchas aplicaciones, "dijo el Dr. Lior Embon, quien fue, en el momento, el alumno a cargo de este estudio. "Estos hallazgos pueden ser esenciales para un mayor desarrollo de la electrónica superconductora, abriendo nuevos desafíos para teorías y experimentos en la gama aún inexplorada de campos y corrientes electromagnéticos muy altos ".

"La investigación muestra que la técnica SQUID-on-tip puede abordar algunos problemas sobresalientes de superconductividad fuera del equilibrio, vórtices ultrarrápidos y muchos otros fenómenos magnéticos a escala nanométrica, "dijo el Dr. Yonathan Anahory, profesor titular del Instituto de Física Racah de la Universidad Hebrea.

Es más, resultados de simulación obtenidos por Ph.D. estudiante? eljko Jeli? de Bélgica sugieren que con un diseño de muestra adecuado y una mejor eliminación del calor debería ser posible alcanzar velocidades aún más altas. En ese régimen, las frecuencias calculadas de penetración de vórtices pueden empujarse a la brecha de frecuencia de THz tan tecnológicamente deseada.

La investigación descubre la rica física de los vórtices ultrarrápidos en películas superconductoras, y ofrece una amplia perspectiva para futuras investigaciones experimentales y teóricas. En el futuro, esta tecnología podría permitir a los investigadores probar diseños que tienen como objetivo reducir el movimiento de vórtice y mejorar las propiedades de los superconductores.