Forskare vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har utvecklat en metod för att exakt mäta den "exakta kanten" eller början vid vilken ett magnetfält kommer in i ett supraledande material. Kunskapen om denna tröskel - kallad det lägre kritiska fältet - spelar en avgörande roll för att lösa de svårigheter som har förhindrat en bredare användning av supraledning i ny teknik.

I fysik av kondenserad materia, forskare skiljer mellan olika supraledande tillstånd. När den placeras i ett magnetfält, det övre kritiska fältet är styrkan med vilken det helt förstör supraledande beteende i ett material. Meissner -effekten kan ses som dess motsats, som händer när ett material övergår till ett supraledande tillstånd, helt utvisar ett magnetfält från dess inre, så att den reduceras till noll vid en liten (vanligtvis mindre än en mikrometer) karakteristisk längd som kallas Londons penetrationsdjup.

Men vad händer i det gråa området mellan de två? Praktiskt taget alla superledare klassificeras som typ II, vilket betyder att vid större magnetfält, de visar inte en fullständig Meissner -effekt. Istället, de utvecklar ett blandat tillstånd, med kvantiserade magnetiska virvlar - kallade Abrikosovvirvlar - trä materialet, bildar ett tvådimensionellt virvelgitter, och signifikant påverkar beteendet hos superledare. Viktigast, dessa virvlar kan skjutas runt genom strömning av elektrisk ström, orsakar supraledning att försvinna.

Punkten när dessa virvlar först börjar tränga in i en superledare kallas det lägre kritiska fältet, en som har varit notoriskt svår att mäta på grund av en förvrängning av magnetfältet nära provkanter. Dock, kunskap om detta område behövs för bättre förståelse och kontroll av superledare för användning i applikationer.

"Gränslinjen, det temperaturberoende värdet för magnetfältet vid vilket detta sker, är väldigt viktigt; förekomsten av Abrikosov virvlar förändrar superledarens beteende mycket, "sa Ruslan Prozorov, en fysiker från Ames Laboratory som är expert på supraledning och magnetism. "Många av de applikationer för vilka vi skulle vilja använda supraledning, som överföring av el, hindras av förekomsten av denna virvelfas. "

För att validera den nya tekniken som utvecklats för att mäta denna gränslinje, Prozorov och hans team undersökte tre redan välstuderade supraledande material. De använde en nyligen utvecklad optisk magnetometer som utnyttjar kvanttillståndet för en viss typ av atomdefekt, kallade nitrogen-vacancy (NV) centra, i diamant. Det mycket känsliga instrumentet tillät forskarna att mäta mycket små avvikelser i den magnetiska signalen mycket nära provkanten och upptäcka början av virvelpenetration.

"Vår metod är icke-invasiv, mycket exakt och har bättre rumslig upplösning än tidigare använda metoder, "sa Prozorov.

Dessutom, teoretiska beräkningar utförda tillsammans med en annan forskare från Ames Laboratory, Vladimir Kogan, tillät extraktion av de lägre kritiska fältvärdena från den uppmätta början av virvelpenetration.