Ett internationellt team av forskare från Österrike, Tyskland, och Ukraina har hittat ett nytt supraledande system där magnetiska flödeskvantor kan röra sig med hastigheter på 10 till 15 km/s. Detta öppnar tillgång till undersökningar av den rika fysiken i icke-jämviktskollektiva system och ger en direktskrivande Nb-C-superledare som kandidatmaterial för enkelfotondetektorer. Resultaten publiceras i Naturkommunikation .

Superledning är ett fysiskt fenomen som förekommer vid låga temperaturer i många material som manifesterar sig genom ett försvinnande elektriskt motstånd och utvisning av magnetfält från materialets inre. Superledare används redan för medicinsk avbildning, snabba digitala kretsar eller känsliga magnetometrar och har en stor potential för ytterligare applikationer. Dock, konduktiviteten hos majoriteten av tekniskt viktiga superledare är faktiskt inte "super". I dessa så kallade typ II-superledare tränger ett externt magnetfält in i materialet i form av kvantiserade linjer för magnetflöde. Dessa flödeslinjer är kända som Abrikosov virvlar, uppkallad efter Alexei Abrikosov vars förutsägelse gav honom Nobelpriset i fysik 2003. Redan vid måttligt starka elektriska strömmar, virvlarna börjar röra sig och superledaren kan inte längre bära strömmen utan motstånd.

I de flesta superledare, ett lågresistivt tillstånd begränsas av virvelhastigheter i storleksordningen 1 km/s som sätter de praktiska gränserna för användning av superledare i olika tillämpningar. På samma gång, sådana hastigheter är inte tillräckligt höga för att rikta den generiska fysiken till kollektiva system utan balans. Nu, ett internationellt team av forskare från universitetet i Wien, Goethe -universitetet i Frankfurt, Institute for Microstructures of RAS, V. Karazin National University i Kharkiv, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of NAS har hittat ett nytt supraledande system där magnetiska flödeskvantor kan röra sig med hastigheter på 10 till 15 km/s. Den nya superledaren uppvisar en sällsynt kombination av egenskaper - hög strukturell enhetlighet, stor kritisk ström och snabb avslappning av uppvärmda elektroner. Kombinationen av dessa egenskaper säkerställer att fenomenet flödesflödesinstabilitet-abrupt övergång av en superledare från lågresistivt till normalt ledande tillstånd-sker vid tillräckligt stora transportströmmar.

"Under de senaste åren har det har dykt upp experimentella och teoretiska verk som pekar på en anmärkningsvärd fråga; det har hävdats att strömdrivna virvlar kan röra sig ännu snabbare än de superledande laddningsbärarna, "säger Oleksandr Dobrovolskiy, huvudförfattare till den senaste publikationen i Naturkommunikation och chef för supralednings- och spintroniklaboratoriet vid universitetet i Wien. "Dock, dessa studier använde lokalt icke-enhetliga strukturer. Initialt, vi arbetade med rena filmer av hög kvalitet, men senare visade det sig att smutsiga supraledare är bättre kandidatmaterial för att stödja ultrasnabb virveldynamik. Även om den inneboende fastspänningen i dessa inte nödvändigtvis är så svag som hos andra amorfa superledare, den snabba avslappningen av upphettade elektroner blir den dominerande faktorn som möjliggör ultrasnabb virvelrörelse. "

För sina undersökningar tillverkade forskarna en Nb-C superledare genom fokuserad jonstråleinducerad deponering i gruppen av Michael Huth vid Goethe University i Frankfurt am Main, Tyskland. Anmärkningsvärt, förutom ultrasnabba virvelhastigheter i Nb-C, direkt-skriv nanofabrikationstekniken gör att man kan tillverka komplexformade nanoarkitekturer och 3-D fluxoniska kretsar med invecklad sammankoppling som kan komma till användning i kvantinformationsbehandling.

Utmaningar för undersökningar av ultrasnabba virvelfrågor

"För att nå den maximala ström som en superledare kan bära, den så kallade försvagande strömmen, man behöver ganska enhetliga prover över en makroskopisk längdskala som delvis beror på små defekter i ett material. Att nå den försvagande strömmen är inte bara ett grundläggande problem, men det är också viktigt för applikationer; en mikrometer bred supraledande remsa kan växlas till ett resistivt tillstånd med en enda nära infraröd eller optisk foton om remsan är förspänd av en ström nära det försvagande strömvärdet, som förutspåddes och bekräftades i de senaste experimenten. Detta tillvägagångssätt öppnar perspektiv för att bygga enstaka fotondetektorer i stort område som kan användas i t.ex. konfokal mikroskopi, kvantkryptografi i fritt utrymme, optisk kommunikation i djupt utrymme, "säger Denis Vodolazov, senior forskare vid Institute for Microstructures of RAS, Ryssland.

Forskarna har framgångsrikt studerat hur snabbt virvlar kan röra sig i smutsiga Nb-C supraledande remsor som har en kritisk ström vid nollmagnetfält nära den försvagande strömmen. Deras resultat indikerar att flödesflödesinstabiliteten börjar nära kanten där virvlar kommer in i provet på grund av den lokalt förbättrade strömtätheten. Detta ger insikter om tillämpligheten av flödesflödesinstabilitetsmodeller som används ofta och föreslår att Nb-C är ett bra kandidatmaterial för snabba en-fotondetektorer.