Un equipo internacional de científicos de Austria, Alemania, y Ucrania ha encontrado un nuevo sistema superconductor en el que los cuantos de flujo magnético pueden moverse a velocidades de 10 a 15 km / s. Esto abre el acceso a las investigaciones de la rica física de los sistemas colectivos que no están en equilibrio y convierte a un superconductor Nb-C de escritura directa como material candidato para los detectores de fotón único. Los resultados se publican en Comunicaciones de la naturaleza .

La superconductividad es un fenómeno físico que ocurre a bajas temperaturas en muchos materiales y que se manifiesta a través de una resistencia eléctrica que desaparece y la expulsión de campos magnéticos del interior del material. Los superconductores ya se utilizan para imágenes médicas, circuitos digitales rápidos o magnetómetros sensibles y tienen un gran potencial para otras aplicaciones. Sin embargo, la conductividad de la mayoría de los superconductores tecnológicamente importantes no es de hecho "super". En estos superconductores de tipo II, un campo magnético externo penetra en el material en forma de líneas cuantificadas de flujo magnético. Estas líneas de flujo se conocen como vórtices de Abrikosov, nombrado en honor a Alexei Abrikosov, cuya predicción le valió el premio Nobel de Física en 2003. Ya a corrientes eléctricas moderadamente fuertes, los vórtices comienzan a moverse y el superconductor ya no puede llevar la corriente sin resistencia.

En la mayoría de los superconductores, un estado de baja resistencia está limitado por velocidades de vórtice del orden de 1 km / s, lo que establece los límites prácticos de uso de superconductores en diversas aplicaciones. Al mismo tiempo, tales velocidades no son lo suficientemente altas para abordar la física rica genérica de los sistemas colectivos que no están en equilibrio. Ahora, un equipo internacional de científicos de la Universidad de Viena, la Universidad Goethe de Frankfurt, el Instituto de Microestructuras de RAS, la Universidad Nacional V. Karazin de Kharkiv, el Instituto B. Verkin de Física e Ingeniería de Baja Temperatura de NAS ha encontrado un nuevo sistema superconductor en el que los cuantos de flujo magnético pueden moverse a velocidades de 10 a 15 km / s. El nuevo superconductor exhibe una rara combinación de propiedades:alta uniformidad estructural, gran corriente crítica y relajación rápida de electrones calentados. La combinación de estas propiedades asegura que el fenómeno de inestabilidad de flujo-flujo (transición abrupta de un superconductor del estado de baja resistencia al estado de conducción normal) tiene lugar con corrientes de transporte suficientemente grandes.

"En años recientes, han aparecido trabajos experimentales y teóricos que apuntan a un tema notable; Se ha argumentado que los vórtices impulsados ​​por la corriente pueden moverse incluso más rápido que los portadores de carga superconductores, "dice Oleksandr Dobrovolskiy, autor principal de la reciente publicación en Comunicaciones de la naturaleza y director del Laboratorio de Superconductividad y Espintrónica de la Universidad de Viena. "Sin embargo, estos estudios utilizaron estructuras localmente no uniformes. Inicialmente, trabajamos con films limpios de alta calidad, pero más tarde resultó que los superconductores sucios son mejores materiales candidatos para soportar dinámicas de vórtice ultrarrápidas. Aunque la fijación intrínseca en estos no es necesariamente tan débil como en otros superconductores amorfos, la rápida relajación de los electrones calentados se convierte en el factor dominante que permite un movimiento de vórtice ultrarrápido ".

Para sus investigaciones, los investigadores fabricaron un superconductor Nb-C mediante deposición inducida por haz de iones enfocado en el grupo del profesor Michael Huth de la Universidad Goethe en Frankfurt am Main. Alemania. Notablemente, además de velocidades de vórtice ultrarrápidas en Nb-C, La tecnología de nanofabricación de escritura directa permite fabricar nanoarquitecturas de formas complejas y circuitos fluxónicos 3-D con intrincada interconectividad que pueden encontrar aplicación en el procesamiento de información cuántica.

Desafíos para las investigaciones de materia de vórtice ultrarrápido

"Para alcanzar la corriente máxima que puede transportar un superconductor, la llamada corriente de desaparición, se necesitan muestras bastante uniformes en una escala de longitud macroscópica que se debe en parte a pequeños defectos en un material. Alcanzar la corriente de desaparición no es solo un problema fundamental, pero también es importante para las aplicaciones; una tira superconductora de un micrómetro de ancho puede cambiarse a un estado resistivo mediante un solo fotón óptico u infrarrojo cercano si la tira está polarizada por una corriente cercana al valor de la corriente de desaparición, como se predijo y confirmó en experimentos recientes. Este enfoque abre perspectivas para la construcción de detectores de fotón único de área grande que podrían usarse, por ejemplo, en microscopia confocal, criptografía cuántica de espacio libre, comunicación óptica del espacio profundo, "dice Denis Vodolazov, investigador senior del Instituto de Microestructuras de RAS, Rusia.

Los investigadores estudiaron con éxito qué tan rápido pueden moverse los vórtices en las tiras superconductoras de Nb-C sucias que tienen una corriente crítica en un campo magnético cero cerca de la corriente de desaparición. Sus resultados indican que la inestabilidad del flujo de flujo comienza cerca del borde donde los vórtices ingresan a la muestra debido a la densidad de corriente mejorada localmente. Esto ofrece información sobre la aplicabilidad de modelos de inestabilidad de flujo de flujo ampliamente utilizados y sugiere que Nb-C es un buen material candidato para detectores rápidos de fotón único.