US Department of Energy's Ames Laboratory har framgångsrikt visat att en ny typ av optisk magnetometer, NV -magnetoskopet, kan kartlägga en unik egenskap hos supraledande material som tillsammans med noll motstånd definierar själva superledningen.

Den unika egenskapen är Meissner -effekten, vilket är utdrivning av magnetfältet under ett materials övergång till ett supraledande tillstånd.

"Meissner -effekten är kännetecknet för en sann superledare, som skiljer den från en hypotetisk perfekt metall med noll motstånd, "sa Ruslan Prozorov, en fysiker från Ames Laboratory som är expert på supraledning och magnetism vid låga temperaturer. "Det är bra i läroböcker och i princip, men i riktiga supraledande material är Meissner -effekten ganska komplicerad. Robust screening av ett magnetfält med ett supraledande prov och Meissner -utvisning vid kylning i ett magnetfält kan förväxlas. Denna effekt är faktiskt mycket svag och ömtålig och svår att observera. "

Tills nu, fysiker har kunnat observera Meissner -effekten, men kunde inte visualisera dess rumsliga fördelning i materialet och hur det kan variera mellan olika superledande föreningar. Nu är det möjligt att kartlägga unika och utmärkande drag i Meissner -effekten, använder ett mycket känsligt magnetoskop som drar nytta av kvanttillståndet för en viss typ av atomdefekt, kallade nitrogen-vacancy (NV) centra, i diamant.

Medan vetenskapen bakom att använda NV -centra som sensorer har varit känd, forskare vid Ames Laboratory ville veta om tekniken kan utnyttjas för att sondera magnetfält med en aldrig tidigare skådad känslighet och bra rumsupplösning och tillämpa den på att studera olika magnetiska och supraledande material.

"Denna teknik, som är minimalt invasiv och extremt känslig, implementeras i en optisk enhet som fungerar framgångsrikt medan prover är vid de låga temperaturerna (4 grader över absolut noll), som är nödvändig för utforskning av kvantmaterial. Detta var inget trivialt företag, "sa Prozorov.

En medlem av Prozorovs grupp, Ames laboratorieforskare Naufer Nusran, ledde utvecklingen av denna unika uppsättning, och nuvarande arbete använde diamantfilm med NV-centra inplanterade precis under ytan för att mäta storskalig variation av magnetfälten. Detta är den första vetenskapliga artikeln som publiceras som mäter den rumsliga fördelningen av Meissner -effekten med ett NV -magnetoskop, bevisar att tekniken fungerar och är redo att användas för att studera ännu mer komplexa problem.

Nusran samarbetade också med Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science användaranläggning vid Argonne National Laboratory, att designa och tillverka diamantpelarna i nanoskala, var och en med ett enda NV -centrum, för konstruktion av magnetoskopet, som tog tre år. Distribution av dessa sensorer, nu inrymt i Ames Laboratory:s ultra-low noise Sensitive Instrumentation Facility (SIF), är nästa steg i forskningen för Prozorov -gruppen i det nya labbet.

Det har redan lett till några stora överraskningar.

Järnbaserade superledare, anses vara en av de mest robusta, visade praktiskt taget ingen av den "kännetecknande" Meissner -effekten.

"Det här är ett stort pussel och vi har ingen förklaring, "sa Prozorov." Det kommer att bli en spännande ny väg inom forskning för att förstå varför detta händer. "

Forskningen diskuteras vidare i tidningen, "Rumsligt upplöst studie av Meissner-effekten hos supraledare med hjälp av NV-centra-i-diamant optisk magnetometri, "författad av N.M. Nusran, K. R. Joshi, K Cho, M.A. Tanatar, W.R. Meier, S. L. Bud'ko, P.C. Canfield, Y. Liu, T.A. Lograsso, och R. Prozorov; och publiceras i New Journal of Physics .