Il Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha dimostrato con successo che un nuovo tipo di magnetometro ottico, il magnetoscopio NV, può mappare una caratteristica unica dei materiali superconduttivi che insieme alla resistenza zero definisce la stessa superconduttività.

Quella caratteristica unica è l'effetto Meissner, che è l'espulsione del campo magnetico durante la transizione di un materiale allo stato superconduttore.

"L'effetto Meissner è il segno distintivo di un vero superconduttore, che lo separa da un ipotetico metallo perfetto a resistenza zero, " disse Ruslan Prozorov, un fisico del Laboratorio Ames esperto di superconduttività e magnetismo a basse temperature. "Va bene nei libri di testo e in linea di principio, ma nei veri materiali superconduttori l'effetto Meissner è piuttosto complicato. Lo screening robusto di un campo magnetico da parte di un campione superconduttore e l'espulsione di Meissner dopo il raffreddamento in un campo magnetico possono essere confusi. Questo effetto è in realtà molto debole, fragile e difficile da osservare".

Fino ad ora, i fisici hanno potuto osservare l'effetto Meissner, ma non sono stati in grado di visualizzare la sua distribuzione spaziale nel materiale e come potrebbe variare tra i diversi composti superconduttori. Ora è possibile mappare le caratteristiche uniche e distintive dell'effetto Meissner, utilizzando un magnetoscopio molto sensibile che sfrutta lo stato quantistico di un particolare tipo di difetto atomico, chiamati centri di azoto vacante (NV), nel diamante.

Mentre la scienza dietro l'utilizzo dei centri NV come sensori è nota, gli scienziati dell'Ames Laboratory volevano sapere se la tecnologia poteva essere sfruttata per sondare campi magnetici con una sensibilità senza precedenti e una buona risoluzione spaziale e applicarla allo studio di vari materiali magnetici e superconduttori.

"Questa tecnica, che è minimamente invasivo ed estremamente sensibile, è implementato in un dispositivo ottico che funziona con successo mentre i campioni sono alle basse temperature (4 gradi sopra lo zero assoluto), che è necessario per l'esplorazione dei materiali quantistici. Non era un'impresa da poco, " disse Prozorov.

Un membro del gruppo di Prozorov, Naufer Nusran, scienziato del laboratorio Ames, ha guidato lo sviluppo di questo allestimento unico, e il lavoro attuale ha utilizzato un film diamantato con centri NV impiantati proprio sotto la superficie per misurare la variazione su larga scala dei campi magnetici. Questo è il primo articolo scientifico pubblicato che misura la distribuzione spaziale dell'effetto Meissner utilizzando un magnetoscopio NV, dimostrando che la tecnica funziona ed è pronta per essere impiegata per studiare problemi ancora più complessi.

Nusran ha anche collaborato con il Center for Nanoscale Materials, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE presso l'Argonne National Laboratory, per progettare e fabbricare i pilastri su scala nanometrica del diamante, ciascuno con un singolo centro NV, per la costruzione del magnetoscopio, che durò tre anni. La distribuzione di questi sensori, ora ospitato nella Sensitive Instrumentation Facility (SIF) di Ames Laboratory, è il prossimo passo nella ricerca per il gruppo Prozorov nel nuovo laboratorio.

Ha già portato ad alcune grandi sorprese.

superconduttori a base di ferro, considerati tra i più robusti, non ha mostrato praticamente nessuno di quell'effetto Meissner "marchio di garanzia".

"Questo è un grande enigma e non abbiamo alcuna spiegazione, " ha detto Prozorov. "Sarà una nuova strada entusiasmante nella ricerca per capire perché questo accade."

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Studio risolto nello spazio dell'effetto Meissner nei superconduttori utilizzando la magnetometria ottica NV-center-in-diamond, " scritto da N.M. Nusran, K. R. Joshi, K Cho, M.A. Tanatar, W.R. Meier, S.L. Bud'ko, PC Canfield, Y. Liu, T.A. Lograsso, e R. Prozorov; e pubblicato in Nuovo Giornale di Fisica .