Det traditionella japanska korgvävningsmönstret (kago-mé:korg med ögon) tjänade som inspiration för en rad fluxonfällor framställda med ett heliumjonmikroskop i en högtemperatursupraledare. De förankrade fluxonerna representeras av blå figurer (baserat på symbolen Φ0 för flödeskvantum), de lila fluxonerna är fångade av sina grannar som i en bur (© Bernd Aichner, Wiens universitet).
Egenskaperna hos högtemperatursupraledare kan skräddarsys genom införandet av konstgjorda defekter. Ett internationellt forskarlag kring fysikern Wolfgang Lang vid universitetet i Wien har lyckats producera världens tätaste komplexa nanomatriser för förankring av flödeskvanter, fluxonerna. Detta uppnåddes genom att bestråla supraledaren med ett heliumjonmikroskop vid universitetet i Tübingen, en teknik som först nyligen blivit tillgänglig. Forskarna inspirerades av en traditionell japansk korgvävningskonst. Resultaten har nyligen publicerats i ACS applicerade nanomaterial , en tidskrift från det berömda American Chemical Society.
Supraledare kan bära elektricitet utan förlust om de kyls under en viss kritisk temperatur. Dock, rena supraledare är inte lämpliga för de flesta tekniska tillämpningar, men först efter kontrollerat införande av defekter. Till största del, dessa är slumpmässigt fördelade, men nuförtiden blir det skräddarsydda periodiska arrangemanget av sådana defekter allt viktigare.
Fällor och burar för magnetiska kvantobjekt i supraledare
Ett magnetfält kan bara penetrera i kvantiserade delar in i en supraledare, de så kallade fluxonerna. Om supraledning förstörs i mycket små regioner, fluxonerna är förankrade på exakt dessa platser. Med periodiska uppsättningar av sådana defekter, tvådimensionella "fluxonkristaller" kan genereras, som är ett modellsystem för många intressanta undersökningar. Defekterna fungerar som fällor för fluxonerna och genom att variera lättillgängliga parametrar kan många effekter undersökas. "Dock, det är nödvändigt att realisera mycket täta defektarrangemang så att fluxonerna kan interagera med varandra, helst på avstånd under 100 nanometer, som är tusen gånger mindre än diametern på ett hårstrå, " förklarar Bernd Aichner från universitetet i Wien.
Särskilt intressant för forskarna är komplexa periodiska arrangemang, såsom quasi-kagomé-defektmönstret som undersökts i den aktuella studien, som var inspirerad av en traditionell japansk korgvävningskonst. Kagomémönstrets bamburänder ersätts av en kedja av defekter med 70 nanometers mellanrum. Det speciella med denna artificiella nanostruktur är att inte bara ett fluxon per defekt kan förankras, men ungefär cirkulära fluxonkedjor bildas, som i sin tur håller ett stilla fritt fluxon instängt mitt ibland dem. Sådana fluxonburar är baserade på ömsesidig repulsion av fluxoner och kan öppnas eller låsas genom att ändra det externa magnetfältet. De betraktas därför som ett lovande koncept för realisering av lågförluster och snabba supraledande kretsar med fluxoner.
Nanostrukturering av högtemperatursupraledare med heliumjonmikroskop
Denna forskning har möjliggjorts av en ny apparat vid universitetet i Tübingen – heliumjonmikroskopet. Även om det har en liknande funktionsprincip som svepelektronmikroskopet, heliumjonmikroskopet erbjuder en tidigare oöverträffad upplösning och skärpedjup på grund av heliumjonernas mycket mindre våglängd. "Med ett heliumjonmikroskop, de supraledande egenskaperna kan skräddarsys utan att ta bort eller förstöra materialet, som gör det möjligt för oss att producera flödesmatriser i högtemperatursupraledare med en densitet som är oöverträffad över hela världen, " understryker Dieter Koelle från Eberhard Karls University i Tübingen. Forskarna planerar nu att vidareutveckla metoden för ännu mindre strukturer och att testa olika teoretiskt föreslagna koncept för fluxonkretsar.
