Supraledare innehåller små tornados av superström, kallas virvelfilament, som skapar motstånd när de rör sig. Detta påverkar hur supraledare bär en ström.

Men en magnetstyrd "switch" i supraledarkonfiguration ger oöverträffad flexibilitet vid hantering av platsen för virvelfilament, ändra egenskaperna hos supraledaren, enligt en ny artikel i Nature Nanotechnology.

"Vi arbetar med supraledare och hur man gör dem bättre för applikationer, " sa Boldizsár Jankó professor vid institutionen för fysik vid University of Notre Dame och medförfattare på tidningen. "Ett av de största problemen inom supraledarteknologi är att de flesta av dem har dessa filament, dessa små tornados av superström. När dessa flyttar, då har du motstånd."

Forskare har försökt designa nya enheter och ny teknik för att "stifta, " eller fäst, dessa filament till en specificerad position. Tidigare försök att nåla trådarna, som att bestråla eller borra hål i supraledaren, resulterade i statisk, oföränderliga arrayer, eller ordnade arrangemang av filament. En ny, dynamiskt system som upptäckts av Jankó och samarbetspartners kommer att möjliggöra pågående justeringar, förändrar materialets egenskaper över tid. Resultaten av forskningen publicerades 11 juni i Naturens nanoteknik i en artikel med titeln "Switchable geometric frustration in a artificiell-spin-is/superconductor hetero-system."

Samarbetspartnernas lösning täcker supraledaren med en artificiell spin-is som består av en rad interagerande nanoskala-stångmagneter. Omorganisering av de magnetiska orienteringarna för dessa nano-barmagneter resulterar i en omarrangering i realtid av stiftet på den supraledande platsen. Detta möjliggör flera, reversibla spinncykelkonfigurationer för virvlarna. Spinn är en partikels naturliga, vinkelmoment.

"Den huvudsakliga upptäckten här är vår förmåga att omkonfigurera dessa spinnplatser reversibelt och istället för att ha bara en spinncykelkonfiguration för virvlarna, vi har nu många, och vi kan byta dem fram och tillbaka, " sa Jankó. De magnetiska laddningarna har samma stifteffekt som borrade hål i andra system men är inte begränsade till en statisk konfiguration, beskrev han. Till exempel, magneterna skulle kunna arrangeras för att skapa mer eller mindre motstånd i supraledaren. Den elementära enheten skulle potentiellt kunna kombineras till en krets som är kapabel till logisk manipulation.

Yong-Lei Wang, forskarassistent vid institutionen för fysik och medförsta/medkorsande författare på uppsatsen, som också är knuten till Argonne National Laboratory och Nanjing University, hade tidigare beskrivit en artificiell spinnstruktur, eller magnetisk laddning is, som kunde ställas in till olika relativt stabila konfigurationer. Strukturerna kallas is eftersom de involverar mönstrade atomära deformationer som liknar den för syrebindningar när vatten fryser. I den aktuella studien, Jankó föreslog att systemet skulle tillämpas på supraledare.

"Vi visade att okonventionella artificiell-spin-is-geometrier kan efterlikna laddningsfördelningen av ett artificiellt kvadratiskt spin-is-system, tillåter oöverträffad kontroll över laddningsplatserna via lokala och externa magnetfält, ", sa Wang. "Vi visar nu att en sådan kontroll över magnetiska laddningar kan utnyttjas i kontrollen av kvantflöden i en spin-is/supraledare-heterostruktur." Han tillade att framgången berodde på ett nära samarbete mellan experimentalister och teoretiker.

Eftersom kontrollen av kvantflödena är svår att visualisera i ett experiment, simuleringar krävdes för att framgångsrikt reproducera resultaten, sa Xiaoyu Ma, en doktorand vid institutionen för fysik som genomförde datorsimuleringen i studien och är den första författaren på uppsatsen. Simuleringarna gjorde det möjligt för forskare att se de detaljerade processerna som är involverade. "Antalet virvelkonfigurationer som vi kan realisera är enormt, och vi kan designa och lokalt omkonfigurera dem plats för webbplats, "Det här har aldrig insetts förut."

Forskningen förväntas ge en ny miljö på nanoskala för design och manipulation av geometrisk ordning och frustration - ett viktigt fenomen inom magnetism relaterat till arrangemanget av spinn - i ett brett spektrum av materialsystem, Wang noterade. Dessa inkluderar magnetiska skyrmioner, tvådimensionella material, topologiska isolatorer/halvmetaller och kolloider i mjuka material.

"Detta kan leda till nya funktioner, "Wang sa. "Vi tror att detta arbete kommer att öppna en ny riktning i tillämpningen av geometriska frustrerade materialsystem."