Gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un metodo per misurare con precisione il "bordo esatto" o l'inizio in cui un campo magnetico entra in un materiale superconduttore. La conoscenza di questa soglia, chiamata campo critico inferiore, gioca un ruolo cruciale nel districare le difficoltà che hanno impedito un uso più ampio della superconduttività nelle nuove tecnologie.

Nella fisica della materia condensata, gli scienziati distinguono tra vari stati superconduttori. Quando posto in un campo magnetico, il campo critico superiore è la forza alla quale distrugge completamente il comportamento superconduttore in un materiale. L'effetto Meissner può essere pensato come il suo opposto, che accade quando un materiale passa in uno stato superconduttore, espellendo completamente un campo magnetico dal suo interno, in modo che sia ridotto a zero a una lunghezza caratteristica piccola (tipicamente inferiore a un micrometro) chiamata profondità di penetrazione di Londra.

Ma cosa succede nella zona grigia tra i due? Praticamente tutti i superconduttori sono classificati di tipo II, il che significa che a campi magnetici più grandi, non mostrano un effetto Meissner completo. Anziché, sviluppano uno stato misto, con vortici magnetici quantizzati, chiamati vortici Abrikosov, che infilano il materiale, formando un reticolo vorticoso bidimensionale, e che influenzano significativamente il comportamento dei superconduttori. Più importante, questi vortici possono essere spinti in giro dal flusso di corrente elettrica, causando la dissipazione della superconduttività.

Il punto in cui questi vortici iniziano a penetrare per la prima volta in un superconduttore è chiamato campo critico inferiore, uno che è stato notoriamente difficile da misurare a causa di una distorsione del campo magnetico vicino ai bordi del campione. Però, la conoscenza di questo campo è necessaria per una migliore comprensione e controllo dei superconduttori da utilizzare nelle applicazioni.

"La linea di confine, il valore dipendente dalla temperatura del campo magnetico al quale ciò accade, è molto importante; la presenza dei vortici di Abrikosov modifica molto il comportamento del superconduttore, " disse Ruslan Prozorov, un fisico del Laboratorio Ames esperto di superconduttività e magnetismo. "Molte delle applicazioni per le quali vorremmo utilizzare la superconduttività, come la trasmissione di elettricità, sono ostacolati dall'esistenza di questa fase di vortice."

Per convalidare la nuova tecnica sviluppata per misurare questa linea di confine, Prozorov e il suo team hanno sondato tre materiali superconduttori già ben studiati. Hanno usato un magnetometro ottico di recente sviluppo che sfrutta lo stato quantistico di un particolare tipo di difetto atomico, chiamati centri di azoto vacante (NV), nel diamante. Lo strumento altamente sensibile ha permesso agli scienziati di misurare deviazioni molto piccole nel segnale magnetico molto vicino al bordo del campione, rilevando l'inizio della penetrazione dei vortici.

"Il nostro metodo non è invasivo, molto preciso e ha una migliore risoluzione spaziale rispetto ai metodi utilizzati in precedenza, " disse Prozorov.

Inoltre, calcoli teorici condotti insieme ad un altro scienziato del Laboratorio Ames, Vladimir Kogan, ha permesso l'estrazione dei valori di campo critici inferiori dall'inizio misurato della penetrazione del vortice.