I superconduttori contengono minuscoli tornado di supercorrente, chiamati filamenti di vortice, che creano resistenza quando si muovono. Ciò influenza il modo in cui i superconduttori trasportano una corrente.

Ma un "interruttore" controllato da un magnete in configurazione superconduttore offre una flessibilità senza precedenti nella gestione della posizione dei filamenti di vortice, alterare le proprietà del superconduttore, secondo un nuovo articolo su Nature Nanotechnology.

"Lavoriamo sui superconduttori e su come migliorarli per le applicazioni, ", ha affermato Boldizsár Jankó, professore presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Notre Dame e autore corrispondente dell'articolo. "Uno dei maggiori problemi nella tecnologia dei superconduttori è che la maggior parte di essi ha questi filamenti, questi minuscoli tornado di supercorrente. Quando questi si muovono, allora hai resistenza."

I ricercatori hanno cercato di progettare nuovi dispositivi e nuove tecnologie per "appuntare, "o allacciare, questi filamenti in una posizione specificata. Sforzi precedenti per appuntare i filamenti, come irradiare o praticare fori nel superconduttore, risultava statico, matrici immutabili, o disposizioni ordinate di filamenti. Una nuova, sistema dinamico scoperto da Jankó e collaboratori consentirà adeguamenti continui, alterare le proprietà del materiale nel tempo. I risultati della ricerca sono stati pubblicati l'11 giugno in Nanotecnologia della natura in un articolo intitolato "Frustrazione geometrica commutabile in un eterosistema di ghiaccio artificiale/superconduttore".

La soluzione dei collaboratori sovrappone il superconduttore con un ghiaccio artificiale costituito da una serie di magneti a barra interagenti su nanoscala. La riorganizzazione degli orientamenti magnetici di quei magneti a nanobarra risulta in un riarrangiamento in tempo reale del pinning sul sito superconduttore. Ciò rende possibili molteplici, configurazioni di centrifuga reversibili per i vortici. Lo spin è naturale di una particella, momento angolare.

"La scoperta principale qui è la nostra capacità di riconfigurare questi siti di filatura in modo reversibile e invece di avere una sola configurazione del ciclo di rotazione per i vortici, ora ne abbiamo tanti, e possiamo scambiarli avanti e indietro, " ha detto Jankó. Le cariche magnetiche hanno lo stesso effetto di fissaggio dei fori praticati in altri sistemi, ma non sono limitate a una configurazione statica, ha descritto. Per esempio, i magneti potrebbero essere disposti in modo da creare più o meno resistenza nel superconduttore. L'unità elementare potrebbe potenzialmente essere combinata in un circuito in grado di manipolare la logica.

Yong Lei Wang, professore associato di ricerca presso il Dipartimento di Fisica e co-primo/co-autore corrispondente dell'articolo, che è anche affiliato con Argonne National Laboratory e Nanjing University, aveva precedentemente descritto una struttura di spin artificiale, o ghiaccio a carica magnetica, che potrebbe essere sintonizzato su varie configurazioni relativamente stabili. Le strutture sono chiamate ghiaccio perché comportano deformazioni atomiche modellate simili a quelle dei legami di ossigeno quando l'acqua si congela. Nello studio attuale, Jankó propose di applicare il sistema ai superconduttori.

"Abbiamo dimostrato che le geometrie di ghiaccio artificiale non convenzionali possono imitare la distribuzione di carica di un sistema di ghiaccio artificiale quadrato, consentendo un controllo senza precedenti sulle posizioni di carica tramite campi magnetici locali ed esterni, "Ha detto Wang. "Mostriamo ora che un tale controllo sulle cariche magnetiche può essere sfruttato nel controllo dei flussi quantistici in un'eterostruttura spin-ghiaccio/superconduttore." Ha aggiunto che il successo è il risultato di una stretta collaborazione tra sperimentali e teorici.

Poiché il controllo dei flussi quantistici è difficile da visualizzare in un esperimento, sono state necessarie simulazioni per riprodurre con successo i risultati, disse Xiaoyu Ma, uno studente di dottorato nel Dipartimento di Fisica che ha condotto la simulazione al computer nello studio ed è il co-primo autore dell'articolo. Le simulazioni hanno permesso ai ricercatori di vedere i processi dettagliati coinvolti. "Il numero di configurazioni di vortici che possiamo realizzare è enorme, e possiamo progettarli e riconfigurarli localmente sito per sito, "Ma ha detto. "Questo non è mai stato realizzato prima."

La ricerca dovrebbe fornire una nuova impostazione su scala nanometrica per la progettazione e la manipolazione dell'ordine geometrico e della frustrazione, un fenomeno importante nel magnetismo legato alla disposizione degli spin, in un'ampia gamma di sistemi materiali, ha notato Wang. Questi includono skyrmioni magnetici, materiali bidimensionali, isolanti topologici/semimetalli e colloidi in materiali teneri.

"Questo potrebbe portare a nuove funzionalità, " Wang ha detto. "Crediamo che questo lavoro aprirà una nuova direzione nell'applicazione di sistemi di materiali geometrici frustrati".