Forskare har gjort den första direkta visuella observationen och mätningen av supersnabb virveldynamik i superledare. Deras teknik, detaljerad i tidningen Naturkommunikation , kan bidra till utvecklingen av nya praktiska tillämpningar genom att optimera superledaregenskaper för användning inom elektronik.

Superledning är ett materiellt tillstånd där en elektrisk ström kan flöda utan absolut motstånd. Detta inträffar när vissa material kyls under en kritisk temperatur. Effekten är användbar för olika applikationer, från magnetiskt svävande tåg till MR -maskiner och partikelacceleratorer. Det väcker också fantasin med tankar om förlustfri kraftöverföring och mycket snabbare beräkning.

Dock, supraledning är, generellt, undertryckt i närvaro av magnetfält, begränsa möjligheten att använda dessa material i verkliga applikationer. En viss familj av superledare, kallas typ 2, tål mycket högre värden på magnetfält. Detta är tack vare deras förmåga att låta magnetfältet tränga igenom materialet på ett kvantiserat sätt, i en lokal rörformad form som kallas en virvel. Tyvärr, i närvaro av elektriska strömmar upplever dessa virvlar en kraft och kan börja röra sig. Rörelse av virvlar möjliggör elektrisk motstånd, som, på nytt, utgör ett hinder för applikationer.

Att förstå när och hur virvlar kommer att flytta eller förbli lokaliserade är i fokus för mycket vetenskaplig forskning. Tills nu, experimentellt att ta itu med fysiken i snabbt rörliga virvlar har visat sig vara extremt utmanande, främst på grund av bristen på lämpliga verktyg.

Nu ett internationellt team av forskare, ledd av professor Eli Zeldov från Weizmann Institute of Science och Dr Yonathan Anahory, universitetslektor vid hebreiska universitetet i Jerusalems Racah Institute of Physics, har för första gången visat hur dessa virvlar rör sig i supraledande material och hur snabbt de kan resa.

De använde en ny mikroskopiteknik som kallas scanning SQUID-on-tip, som tillåter magnetisk avbildning vid en aldrig tidigare skådad hög upplösning (cirka 50 nm) och magnetisk känslighet. Tekniken utvecklades under det senaste decenniet vid Weizmann Institute av ett stort team inklusive Ph.D. student Lior Embon och Ella Lachman och genomförs för närvarande vid hebreiska universitetet i Dr. Anahorys laboratorium också.

Med hjälp av detta mikroskop, de observerade virvlar som flödar genom en tunn supraledande film med hastigheter på tiotals GHz, och färdas i hastigheter mycket snabbare än tidigare trott möjligt - upp till cirka 72 000 km/tim (45 000 mph). Detta är inte bara mycket snabbare än ljudets hastighet, men överskrider också den parbrytande hastighetsgränsen för supraledande kondensat-vilket innebär att en virvel kan färdas 50 gånger snabbare än hastighetsbegränsningen för superströmmen som driver den. Detta skulle vara som att köra ett objekt för att resa runt jorden på drygt 30 minuter.

På foton och videor som visas för första gången, virvelbanorna framstår som smetade linjer som korsar från en sida av filmen till en annan. Detta liknar suddighet av bilder i fotografier av objekt som rör sig snabbt. De visar en trädliknande struktur med en enda stam som genomgår en serie bifurkationer i grenar. Detta kanalflöde är ganska överraskande eftersom virvlar normalt stöter bort varandra och försöker sprida ut så mycket som möjligt. Här tenderar virvlar att följa varandra, som genererar den trädliknande strukturen.

Ett team av teoretiska fysiker från USA och Belgien, ledd av professorerna Alexander Gurevich och Milorad Miloševi ?, förklarade delvis detta fynd genom att när en virvel rör sig, utseendet på motstånd värmer lokalt materialet, vilket gör det lättare för följande virvlar att resa samma rutt.

"Detta arbete ger en inblick i den grundläggande fysiken för virveldynamik i superledare, avgörande för många applikationer, "sa Dr Lior Embon, vem var, just då, studenten som ansvarar för denna studie. "Dessa fynd kan vara avgörande för vidareutveckling av supraledande elektronik, öppna nya utmaningar för teorier och experiment inom det ännu outforskade utbudet av mycket höga elektromagnetiska fält och strömmar. "

"Undersökningen visar att SQUID-on-tip-tekniken kan lösa några enastående problem med icke-jämvikts supraledning, ultrasnabba virvlar och många andra magnetiska fenomen i nanometerskala, "sa Dr Yonathan Anahory, universitetslektor vid hebreiska universitetets Racah Institute of Physics.

Vidare, simuleringsresultat erhållna av Ph.D. student? eljko Jeli? från Belgien föreslår att genom korrekt provdesign och förbättrad värmeavlägsnande bör det vara möjligt att nå ännu högre hastigheter. I den regimen, de beräknade virvlarnas penetrationsfrekvenser kan skjutas till det mycket tekniskt önskade THz -frekvensgapet.

Forskningen avslöjar den rika fysiken hos ultrasnabba virvlar i supraledande filmer, och erbjuder en bred syn på ytterligare experimentella och teoretiska undersökningar. I framtiden, denna teknik kan göra det möjligt för forskare att testa konstruktioner som syftar till att minska virvelrörelser och förbättra superledarnas egenskaper.