Сверхпроводимость — это состояние вещества, в котором электрический ток может течь без сопротивления. Это происходит, когда некоторые материалы охлаждаются ниже критической температуры. Эффект полезен для различных приложений, от поездов с магнитной левитацией до аппаратов МРТ и ускорителей частиц. Это также пробуждает воображение мыслями о передаче мощности без потерь и о гораздо более быстрых вычислениях.
Однако сверхпроводимость, вообще говоря, подавляется в присутствии магнитных полей, что ограничивает возможность использования этих материалов в реальных приложениях. Определенное семейство сверхпроводников, называемое типом 2, может выдерживать гораздо более высокие значения магнитных полей. Это благодаря их способности позволять магнитному полю проходить сквозь материал квантованным образом в форме локальной трубки, называемой вихрем.
К сожалению, при наличии электрического тока эти вихри испытывают силу и могут начать движение. Движение вихрей допускает электрическое сопротивление, которое, опять же, создает препятствия для приложений.Понимание того, когда и как вихри будут двигаться или оставаться локализованными, является предметом многих научных исследований.
До сих пор экспериментальное изучение физики быстро движущихся вихрей было чрезвычайно сложной задачей, в основном из-за отсутствия адекватных инструментов.Теперь международная группа исследователей во главе с профессором Эли Зельдовым из Института Вейцмана и доктором Йонатаном Анахори, старшим преподавателем Института физики Рака Еврейского университета Иерусалима, впервые показала, как эти вихри движутся в сверхпроводящей среде. материалы и скорость их перемещения.Они использовали новую технику микроскопии, называемую сканирующим сквидом на кончике, которая позволяет получать магнитные изображения с беспрецедентно высоким разрешением (около 50 нм) и магнитной чувствительностью.
Этот метод был разработан в течение последнего десятилетия в Институте Вейцмана большой командой, в которую входил доктор философии. студент Лиор Эмбон и Элла Лахман, и в настоящее время он также внедряется в Еврейском университете в лаборатории доктора Анахори.С помощью этого микроскопа они наблюдали вихри, текущие через тонкую сверхпроводящую пленку со скоростью в десятки ГГц и движущиеся со скоростью намного быстрее, чем считалось возможным ранее — примерно до 72000 км / ч (45000 миль в час). Это не только намного быстрее скорости звука, но и превышает предел скорости разрыва пары сверхпроводящего конденсата — это означает, что вихрь может перемещаться в 50 раз быстрее, чем предел скорости сверхтока, который его движет. Это было бы похоже на движение объекта, чтобы облететь Землю чуть более чем за 30 минут.
На фотографиях и видеороликах, показываемых впервые, траектории вихрей выглядят как размытые линии, пересекающиеся от одной стороны пленки к другой. Это похоже на размытие изображений на фотографиях быстро движущихся объектов. Они представляют собой древовидную структуру с одним стволом, который претерпевает серию разветвлений на ветви. Этот поток в канале весьма удивителен, поскольку вихри обычно отталкиваются друг от друга и стараются разойтись как можно дальше.
Здесь вихри стремятся следовать друг за другом, что создает древовидную структуру.Группа физиков-теоретиков из США и Бельгии под руководством профессоров Александра Гуревича и Милорада Милошевича частично объяснила это открытие тем, что при движении вихря возникновение сопротивления локально нагревает материал, что облегчает отслеживание вихрей. путешествовать по тому же маршруту.«Эта работа предлагает понимание фундаментальной физики вихревой динамики в сверхпроводниках, которая имеет решающее значение для многих приложений», — сказал доктор Лиор Эмбон, который в то время был студентом, отвечавшим за это исследование. «Эти открытия могут иметь важное значение для дальнейшего развития сверхпроводящей электроники, открывая новые задачи для теорий и экспериментов в еще неизведанном диапазоне очень сильных электромагнитных полей и токов».
«Исследование показывает, что метод SQUID-on-tip может решить некоторые нерешенные проблемы неравновесной сверхпроводимости, сверхбыстрых вихрей и многих других магнитных явлений в нанометровом масштабе», — сказал д-р Йонатан Анахори, старший преподаватель Института Рака Еврейского университета. физики.Кроме того, результаты моделирования, полученные к.т.н. студент Желько Елич из Бельгии полагает, что при правильном проектировании образца и улучшенном отводе тепла можно будет достичь еще более высоких скоростей. В этом режиме расчетные частоты проникновения вихрей могут быть доведены до технологически желаемого диапазона частот ТГц диапазона.
Исследование раскрывает богатую физику сверхбыстрых вихрей в сверхпроводящих пленках и открывает широкие перспективы для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований. В будущем эта технология может позволить исследователям тестировать конструкции, направленные на уменьшение вихревого движения и улучшение свойств сверхпроводников.