Закрепление магнитных вихрей может привести к прорыву в сверхпроводимости

Команда исследователей из России, Испании, Бельгии, Соединенного Королевства и Аргоннской национальной лаборатории анонсировали открытие, которое может представлять прорыв в использовании сверхпроводимости.

Команда открыла способ эффективной стабилизации тонких магнитных вихрей, которые влияют на сверхпроводимость, - проблема, десятилетия стоявшая на пути ученых, пытающихся использовать сверхпроводимость на практике. Открытие могло бы удалить одно из наиболее значительных препятствий, мешавшее прогрессу технологии сверхпроводимости.

Одной из проблем, мешающей использованию сверхпроводимости, является необходимость глубокого охлаждения проводников. Даже высокотемпературные сверхпроводники, доступные сегодня, требуют охлаждения до – 138 °С. Это создает массу инженерных проблем. В будущем ученые надеются разработать сверхпроводящие материалы, которые смогут работать при комнатной температуре. Тем временем, существуют важные проблемы, которые необходимо решить и для низкотемпературной сверхпроводимости.

Одна из них создается магнитными полями. Когда магнитные поля достигают определенного значения, они разрушают сверхпроводимость. Однако имеется тип сверхпроводника, известный как «Тип II», который лучше выдерживает относительно большие магнитные поля. В этих сверхпроводниках магнитные поля образуют тонкие воронки, или «вихри». Ток сверхпроводимости продолжает течь, обходя эти вихри. Но если магнитное поле усиливается, вихри начинают двигаться, разрушая сверхпроводимость.

«Эти вихри рассеивают энергию и похоронят все надежды на технологическую революцию, если только не будет найден метод их пришпилить», - сказал научный сотрудник из Аргоннской лаборатории Валерий Винокур. Ученые потратили массу времени и попыток за последние несколько десятилетий, пытаясь фиксировать эти вихри, но вплоть до недавнего времени результаты были неудовлетворительные. Они находили способы закрепить вихри, но это происходило только в ограниченной области низких температур и значений магнитных полей. Однако Винокур с коллегами обнаружили сюрприз. Они начали с очень тонких сверхпроводящих проволок, всего 50 нм в диаметре. На этих тонких проволоках мог разместиться только один ряд вихрей. Когда они приложили сильное магнитное поле, вихри группировались вместе в длинные кластеры и прекращали движение. Увеличение магнитного поля восстанавливало сверхпроводимость, а не разрушало ее. Затем команда покрыла сверхпроводимую пленку массивом отверстий, так что только несколько вихрей могли скапливаться между ними. При этом они стабилизировались и не взаимодействовали с током. Сопротивление сверхпроводника стремительно уменьшалось даже при температурах и магнитных полях, при которых раньше не удавалось закрепить вихри. До сих пор команда экспериментировала только с низкотемпературными сверхпроводниками, но нет никаких причин, по их мнению, почему данный подход должен ограничиваться только низкотемпературными сверхпроводниками.

Мозаика представляет распределение сверхпроводимости вокруг отверстий (белые) в тонком слое сверхпроводящей пленки. Зеленый цвет соответствует сильной сверхпроводимости. По мере удаления от отверстий сверхпроводимость уменьшается (желтый, красный и, наконец, черный, где материал плотно населен вихрями, нарушающими сверхпроводимость)

Рисунок показывает полоску сверхпроводящей проволоки с цепочкой вихрей (красные). Зеленые области показывают сильную сверхпроводимость. Две наложенные кривые показывают сопротивление полоски в зависимости от магнитного поля: по мере увеличения магнитного поля сопротивление сначала растет, а затем резко уменьшается