Ученые измеряют точную границу между сверхпроводящим и магнитным состояниями
Ученые из лаборатории Эймса Министерства энергетики США разработали метод точного измерения «точного края» или начала, при котором магнитное поле проникает в сверхпроводящий материал. Знание этого порога, называемого нижним критическим полем, играет решающую роль в преодолении трудностей, которые мешают более широкому использованию сверхпроводимости в новых технологиях.
В физике конденсированного состояния ученые различают различные сверхпроводящие состояния. При помещении в магнитное поле верхнее критическое поле — это сила, при которой оно полностью разрушает сверхпроводящее поведение в материале. Эффект Мейснера можно рассматривать как его противоположность, которая возникает, когда материал переходит в сверхпроводящее состояние, полностью вытесняя магнитное поле изнутри, так что оно уменьшается до нуля при небольшой (обычно меньше микрометра) характеристической длине называется лондонская глубина проникновения.
Но что происходит в серой зоне между ними? Практически все сверхпроводники классифицируются как тип II, что означает, что при больших магнитных полях они не показывают полного эффекта Мейснера. Вместо этого они развивают смешанное состояние с квантованными магнитными вихрями, называемыми вихрями Абрикосова, которые пронизывают материал, образуя двумерную вихревую решетку и существенно влияя на поведение сверхпроводников. Наиболее важно то, что эти вихри могут проталкиваться электрическим током, вызывая рассеивание сверхпроводимости.
Точку, когда эти вихри впервые начинают проникать в сверхпроводник, называют нижним критическим полем, которое, как известно, трудно измерить из-за искажения магнитного поля вблизи краев образца. Тем не менее, знания в этой области необходимы для лучшего понимания и контроля сверхпроводников для использования в приложениях.
«Граничная линия, зависящая от температуры величина магнитного поля, при которой это происходит, очень важна; присутствие вихрей Абрикосова сильно меняет поведение сверхпроводника», — сказал Руслан Прозоров, физик из лаборатории Эймса, который является эксперт в области сверхпроводимости и магнетизма. «Многим приложениям, для которых мы хотели бы использовать сверхпроводимость , например, передачу электроэнергии, препятствует существование этой вихревой фазы».
Чтобы проверить новую методику, разработанную для измерения этой границы, Прозоров и его команда исследовали три уже хорошо изученных сверхпроводящих материала . Они использовали недавно разработанный оптический магнитометр, который использует преимущества квантового состояния определенного вида атомного дефекта, называемого азотно-вакансионными (NV) центрами, в алмазе. Высокочувствительный прибор позволил ученым измерить очень небольшие отклонения в магнитном сигнале очень близко к краю образца, обнаруживая начало проникновения вихрей.
«Наш метод неинвазивен, очень точен и имеет лучшее пространственное разрешение, чем ранее используемые методы», — сказал Прозоров.
Кроме того, теоретические расчеты, проведенные совместно с другим ученым из лаборатории Эймса, Владимиром Коганом, позволили извлечь нижние значения критического поля из измеренного начала проникновения вихря.
