I ricercatori hanno effettuato la prima osservazione e misurazione visiva diretta della dinamica dei vortici ultraveloci nei superconduttori. La loro tecnica, dettagliato nel giornale Comunicazioni sulla natura , potrebbe contribuire allo sviluppo di nuove applicazioni pratiche ottimizzando le proprietà dei superconduttori per l'uso nell'elettronica.

La superconduttività è uno stato della materia in cui una corrente elettrica può fluire senza alcuna resistenza. Ciò si verifica quando alcuni materiali vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica. L'effetto è utile per varie applicazioni, dai treni a levitazione magnetica alle macchine per la risonanza magnetica e agli acceleratori di particelle. Stimola anche l'immaginazione con pensieri di trasferimento di potenza senza perdite e calcolo molto più veloce.

Però, la superconduttività è parlando in generale, soppressa in presenza di campi magnetici, limitando la capacità di utilizzare questi materiali nelle applicazioni della vita reale. Una certa famiglia di superconduttori, chiamato tipo 2, può sopportare valori molto più elevati di campi magnetici. Questo grazie alla loro capacità di permettere al campo magnetico di attraversare il materiale in maniera quantizzata, in una forma tubolare locale chiamata vortice. Sfortunatamente, in presenza di correnti elettriche questi vortici subiscono una forza e possono iniziare a muoversi. Il movimento dei vortici consente la resistenza elettrica, quale, ancora, costituisce un ostacolo per le applicazioni.

Capire quando e come i vortici si sposteranno o rimarranno localizzati è al centro di molte ricerche scientifiche. Fino ad ora, affrontare sperimentalmente la fisica dei vortici in rapido movimento si è dimostrato estremamente impegnativo, principalmente a causa della mancanza di strumenti adeguati.

Ora un team internazionale di ricercatori, guidato dal Prof. Eli Zeldov del Weizmann Institute of Science e dal Dr. Yonathan Anahory, docente presso il Racah Institute of Physics dell'Università Ebraica di Gerusalemme, ha mostrato per la prima volta come questi vortici si muovono nei materiali superconduttori e quanto velocemente possono viaggiare.

Hanno usato una nuova tecnica di microscopia chiamata scansione SQUID-on-tip, che consente l'imaging magnetico ad alta risoluzione (circa 50 nm) e sensibilità magnetica senza precedenti. La tecnica è stata sviluppata nell'ultimo decennio presso l'Istituto Weizmann da un ampio team che includeva il Ph.D. studente Lior Embon ed Ella Lachman ed è attualmente in fase di implementazione presso l'Università Ebraica nel laboratorio del Dr. Anahory.

Usando questo microscopio, hanno osservato vortici che scorrevano attraverso un sottile film superconduttore a velocità di decine di GHz, e viaggiando a velocità molto più elevate di quanto si pensasse in precedenza possibile, fino a circa 72 000 km/h (45 000 mph). Questo non è solo molto più veloce della velocità del suono, ma supera anche il limite di velocità di rottura della coppia del condensato superconduttore, il che significa che un vortice può viaggiare 50 volte più velocemente del limite di velocità della supercorrente che lo guida. Sarebbe come guidare un oggetto per fare il giro della terra in poco più di 30 minuti.

Nelle foto e nei video mostrati per la prima volta, le traiettorie del vortice appaiono come linee sbavate che si incrociano da un lato all'altro del film. Questo è simile alla sfocatura delle immagini nelle fotografie di oggetti in rapido movimento. Mostrano una struttura ad albero con un unico stelo che subisce una serie di biforcazioni in rami. Questo flusso del canale è abbastanza sorprendente poiché i vortici normalmente si respingono l'un l'altro e cercano di espandersi il più possibile. Qui i vortici tendono a susseguirsi, che genera la struttura ad albero.

Un team di fisici teorici dagli Stati Uniti e dal Belgio, guidato dai professori Alexander Gurevich e Milorad Miloševi?, ha parzialmente spiegato questa scoperta con il fatto che quando un vortice si muove, la comparsa di resistenza riscalda localmente il materiale, che rende più facile per i vortici successivi percorrere lo stesso percorso.

"Questo lavoro offre una panoramica della fisica fondamentale della dinamica dei vortici nei superconduttori, cruciale per molte applicazioni, " disse il dottor Lior Embon, chi era, al tempo, lo studente responsabile di questo studio. "Questi risultati possono essere essenziali per l'ulteriore sviluppo dell'elettronica superconduttiva, aprendo nuove sfide per teorie ed esperimenti nella gamma ancora inesplorata di campi e correnti elettromagnetici molto elevati".

"La ricerca mostra che la tecnica SQUID-on-tip può affrontare alcuni problemi in sospeso di superconduttività di non equilibrio, vortici ultraveloci e molti altri fenomeni magnetici su scala nanometrica, " ha detto il dottor Yonathan Anahory, docente presso il Racah Institute of Physics dell'Università Ebraica.

Per di più, risultati di simulazione ottenuti da Ph.D. studente ?eljko Jeli? dal Belgio suggeriscono che con una corretta progettazione del campione e una migliore rimozione del calore dovrebbe essere possibile raggiungere velocità ancora più elevate. In quel regime, le frequenze calcolate di penetrazione dei vortici possono essere spinte al tanto tecnologicamente desiderato gap di frequenza THz.

La ricerca scopre la ricca fisica dei vortici ultraveloci nei film superconduttori, e offre un'ampia prospettiva per ulteriori indagini sperimentali e teoriche. Nel futuro, questa tecnologia potrebbe consentire ai ricercatori di testare progetti che mirano a ridurre il movimento dei vortici e migliorare le proprietà dei superconduttori.