Un team internazionale di scienziati austriaci, Germania, e l'Ucraina ha scoperto un nuovo sistema superconduttore in cui i quanti di flusso magnetico possono muoversi a velocità comprese tra 10 e 15 km/s. Ciò apre l'accesso alle indagini sulla ricca fisica dei sistemi collettivi di non equilibrio e rende un superconduttore Nb-C a scrittura diretta come materiale candidato per i rivelatori a singolo fotone. I risultati sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

La superconduttività è un fenomeno fisico che si verifica a basse temperature in molti materiali e che si manifesta attraverso una resistenza elettrica evanescente e l'espulsione di campi magnetici dall'interno del materiale. I superconduttori sono già utilizzati per l'imaging medico, circuiti digitali veloci o magnetometri sensibili e hanno un grande potenziale per ulteriori applicazioni. Però, la conduttività della maggior parte dei superconduttori tecnologicamente importanti non è infatti "super". In questi cosiddetti superconduttori di tipo II un campo magnetico esterno penetra nel materiale sotto forma di linee quantizzate di flusso magnetico. Queste linee di flusso sono note come vortici di Abrikosov, prende il nome da Alexei Abrikosov la cui previsione gli è valsa il premio Nobel per la fisica nel 2003. Già a correnti elettriche moderatamente forti, i vortici iniziano a muoversi e il superconduttore non può più portare la corrente senza resistenza.

Nella maggior parte dei superconduttori, uno stato a bassa resistenza è limitato da velocità di vortice dell'ordine di 1 km/s che fissano i limiti pratici di utilizzo dei superconduttori in varie applicazioni. Allo stesso tempo, tali velocità non sono sufficientemente elevate per indirizzare la ricca fisica generica ai sistemi collettivi di non equilibrio. Ora, un team internazionale di scienziati dell'Università di Vienna, l'Università Goethe di Francoforte, l'Istituto per le Microstrutture di RAS, l'Università Nazionale V. Karazin di Kharkiv, il B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of NAS ha trovato un nuovo sistema superconduttore in cui i quanti di flusso magnetico possono muoversi a velocità da 10 a 15 km/s. Il nuovo superconduttore mostra una rara combinazione di proprietà:elevata uniformità strutturale, grande corrente critica e rapido rilassamento degli elettroni riscaldati. La combinazione di queste proprietà assicura che il fenomeno dell'instabilità flusso-flusso - brusca transizione di un superconduttore dallo stato a bassa resistenza al normale stato di conduzione - avvenga con correnti di trasporto sufficientemente grandi.

"Negli ultimi anni, sono apparsi lavori sperimentali e teorici che indicavano un problema notevole; è stato sostenuto che i vortici guidati dalla corrente possono muoversi anche più velocemente dei portatori di carica superconduttori, "dice Oleksandr Dobrovolskiy, autore principale della recente pubblicazione in Comunicazioni sulla natura e capo del Laboratorio di Superconduttività e Spintronica presso l'Università di Vienna. "Però, questi studi hanno utilizzato strutture localmente non uniformi. Inizialmente, abbiamo lavorato con pellicole pulite di alta qualità, ma in seguito si è scoperto che i superconduttori sporchi sono materiali candidati migliori per supportare la dinamica dei vortici ultraveloci. Sebbene il pinning intrinseco in questi non sia necessariamente debole come in altri superconduttori amorfi, il rapido rilassamento degli elettroni riscaldati diventa il fattore dominante che consente il movimento del vortice ultraveloce."

Per le loro indagini i ricercatori hanno fabbricato un superconduttore Nb-C mediante deposizione focalizzata indotta da fascio di ioni nel gruppo del Prof. Michael Huth presso l'Università Goethe di Francoforte sul Meno, Germania. Sorprendentemente, oltre alle velocità dei vortici ultraveloci in Nb-C, la tecnologia di nanofabbricazione a scrittura diretta consente di fabbricare nano-architetture di forma complessa e circuiti flussonici 3-D con un'intricata interconnettività che possono trovare applicazione nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Sfide per le indagini sulla materia dei vortici ultraveloci

"Per raggiungere la massima corrente che un superconduttore può trasportare, la cosiddetta corrente di depairing, sono necessari campioni piuttosto uniformi su una scala di lunghezza macroscopica che è in parte dovuta a piccoli difetti in un materiale. Raggiungere la corrente di deperimento non è solo un problema fondamentale, ma è importante anche per le applicazioni; una striscia superconduttrice di micrometri può essere commutata in uno stato resistivo da un singolo fotone vicino infrarosso o ottico se la striscia è polarizzata da una corrente vicina al valore della corrente di deperimento, come era stato previsto e confermato in recenti esperimenti. Questo approccio apre prospettive per la costruzione di rivelatori di fotoni singoli di ampia area che potrebbero essere utilizzati ad es. microscopia confocale, crittografia quantistica dello spazio libero, comunicazione ottica nello spazio profondo, "dice Denis Vodolazov, ricercatore senior presso l'Istituto per le Microstrutture di RAS, Russia.

I ricercatori hanno studiato con successo la velocità con cui i vortici possono muoversi in strisce superconduttrici Nb-C sporche con una corrente critica a un campo magnetico zero vicino alla corrente di deperimento. I loro risultati indicano che l'instabilità del flusso di flusso inizia vicino al bordo in cui i vortici entrano nel campione a causa della densità di corrente localmente aumentata. Ciò offre approfondimenti sull'applicabilità di modelli di instabilità del flusso di flusso ampiamente utilizzati e suggerisce che Nb-C sia un buon materiale candidato per rivelatori veloci a singolo fotone.