Физики создали «метлу» для абрикосовских вихрей

      Комментарии к записи Физики создали «метлу» для абрикосовских вихрей отключены

Физики создали «метлу» для абрикосовских вихрей

Физики из России и Франции обучились с помощью лазера руководить отдельными абрикосовскими вихрями и кроме того «расчищать» от них некую область в материале. Вихрями Абрикосова именуют экранирующие сверхпроводящие токи, каковые окружают кванты магнитного потока, проникающие в кое-какие сверхпроводники при приложении внешнего магнитного поля.

Созданная методика может не лишь стать базой для высокопроизводительных компьютеров, трудящихся на вихрях Абрикосова, но кроме этого методом «очистки» дефектных материалов от нежелательных вихрей, нарушающих сверхпроводящее состояние. Работа опубликованав издании Nature Communications, пресс-релиз дешёв на сайте МФТИ.

Явление сверхпроводимости — происхождение нулевого сопротивления в некоторых материалах — было открыто в 1911 году голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом. Он же два года спустя понял, что сверхпроводящее состояние возможно уничтожено сильными магнитными полями. Несовместимость сверхпроводимости и магнитного поля связана с еще одним свойством таких материалов — эффектом Мейснера.

В то время, когда к сверхпроводнику прикладывают внешнее магнитное поле, он «пытается» вытолкнуть его из собственного количества, создавая экранирующие электрические токи, компенсирующие внешнее поле. Величина тока пропорциональна внешнему магнитному полю, и в то время, когда ток достигает некоего критического значения, магнитное поле начинает попадать в пример, и сверхпроводимость разрушается.

Буквы AV (Abrikosov vortices – абрикосовские вихри), «написанные» на поверхности сверхпроводящей пленки из ниобия. Точки на снимке соответствуют отдельным вихрям. I. S. Veshchunov et al. / Nature Communications, 2016

Позднее было продемонстрировано, что магнитное поле не всегда ведет к полному разрушению сверхпроводимости во всем количестве материала. В некоторых случаях, при достижении полем некоей критической величины (она именуется первой критической), оно начинает частично попадать в пример, не разрушая сверхпроводимости в целом.

Наряду с этим количество материала оказывается «пронизан» отдельными единичными квантами магнитного потока, любой из которых экранируется от остального примера круговыми сверхпроводящими токами. Такие образования именуются вихрями Абрикосова.

В случае если увеличивать магнитное поле, количество вихрей также будет возрастать. В какой-то момент плотность абрикосовских вихрей достигнет максимальной величины, и целый пример перейдет в обычное (не сверхпроводящее) состояние. Материалы, в каковые магнитное поле может попадать так, именуются сверхпроводниками второго рода.

Первый снимок решетки вихрей Абрикосова в охлажденном до сверхпроводящего состояния свинце, легированном индием. Вихри были визуализированы на электронном микроскопе за счет «прилипших» к ним частиц ферромагнетика кобальта. U. Essmann et al. / Physical Review A, 1967

Строго говоря, для сверхпроводников первого рода кроме этого существует два критических поля. Но потому, что промежуток между ними весьма узок,при указании разрушающего поля в большинстве случаев указывается только одна величина. Такое различие в поведении сверхпроводников связано с тем, что в случае первого рода магнитное поле попадает в пример не отдельными квантами, а сходу целыми «пучками», что скоро ведет к разрушению сверхпроводящего состояния.

Возможность образования абрикосовских вихрей существенно увеличивает величину индукции поля, которую может «выдерживать» материал, исходя из этого область применения сверхпроводников второго рода значительно шире, чем для первого рода. Их применяют для сверхсильных магнитов для магнитно-резонансной томографии, коллайдеров частиц — и ускорителей циклотронов, а кроме этого для установок по удержанию плазмы — к примеру, в «Томакаке» либо реакторе ИТЭР.

Для построения логических ячеек и схем памяти на базе абрикосовских вихрей нужно было обучиться действенно ими руководить,применяя простой технически и наряду с этим не требующий громадных затрат энергии способ. Ранее было продемонстрировано, что разные параметры вихрей возможно осуществлять контроль с помощью магнитного поля, электрических токов либо градиента температур. Но используемые методики были через чур медленными и такими сложными технически,что воображали лишь научный интерес.

Авторы новой работы применили один из указанных выше способов— градиент температур, и смогли выстроить стремительный и правильный способ, разрешающий манипулировать как отдельными вихрями, так и целым их массивом. В базе устройства лежит оптический лазер, что, нагревая маленькую область материала рядом с вихрем, заставляет его двигаться в нужном направлении.Достигнув точки назначения, лазер выключают, и вихрь выясняется «закреплен» на новом месте. Таковой метод манипуляции вероятен из-за фундаментальной особенности абрикосовских вихрей: область с более большой температурой, недостатком либо примесью есть для них территорией с более низкой энергией, а это, в собственную очередь,приводит к возникновению движущей силы, направленной к тому либо иному недостатку.

Применив новую методику к сверхпроводящей пленке из ниобия,авторы смогли «написать» вихрями на ее поверхности сокращение A V — Abrikosov vortices. Дабы при манипуляции лазерной точкой не захватывать соседние вихри, совокупность позиционирования строила траекторию лазера так, дабы она проходила как возможно дальше от любого другого вихря. Для этого к поверхности пленки использовали разбиение Вороного, в котором каждой «точке» (вихрю) соответствует область пространства, самая близкая как раз к данной точке, а не к какой-либо второй.

Схема установки по манипуляции и визуализации вихрями, и иллюстрация происхождения движущей силы, заставляющей вихрь стремиться к области материала, нагретой посредством лазера. I. S. Veshchunov et al. / Nature Communications, 2016

Диаграмма Вороного для совокупности случайно расположенных точек на плоскости. В данной работе такое разбиение поверхности употреблялось для расчета траектории перемещения лазерного луча. Wikimedia Commons

Ученые кроме этого опробовали возможность управления не лишь отдельными вихрями, но и их массивами. Для этого лазер фокусировали в громадную «точку» радиусом пара микрометров и «расчищали» выбранную площадь на поверхности материала, заставляя вихри концентрироваться на ее краях.

Потому, что центры абрикосовских вихрей представляют собой области обычного (не в сверхпроводящем состоянии) материала, они рассеивают энергию и являются источниками внутреннего «шума» для многих сверхпроводящих устройств. Исходя из этого новая методика может применяеться как метод «очистки» сверхпроводящих материалов от нежелательных вихрей.

Главной сложностью, с которой столкнулись ученые в новой работы, стал подбор интенсивности лазерного излучения. Во-первых, она должна быть низкой, дабы не допустить перегрева материала выше критической температуры, при которой разрушается сверхпроводимость. Во-вторых, она обязана снабжать смещение вихрей из устойчивых позиций.

Потому, что изначально большая часть вихрей локализуется на примесях и дефектах, существует некоторый энергетический барьер, что они должны преодолеть, дабы сместиться из таковой энергетически удачной позиции. Дабы решить эту проблему, авторы воспользовались оценочными вычислениями, основанными на теоретических моделях сверхпроводимости.

Манипулирование абрикосовскими вихрями было бы неосуществимым без создания способов их визуализации. В первый раз снимок вихревой решетки был сделан в1967 году физиками из Университета Макса Планка в Штутгарте, Германия. В базе большинства способов съемки лежат магнитооптические явления (авторы новой работы применяли эффект Фарадея) — вращение плоскости поляризации света, вызванное отражением либо прохождением через намагниченный материал.

Вихри в сверхпроводнике именно представляют собой «нити» магнитного поля, пронизывающие пример, исходя из этого они выясняются прекрасно «видны» на фоне сверхпроводящих областей, через каковые магнитное поле не проходит. Снимки вихревых решеток, замечаемых в разных материалах с момента их первого обнаружения, возможно взглянуть в Галерее вихрей Абрикосова на сайте Лаборатории сверхпроводников Университета Осло.

Создатель: Екатерина Митрофанова

Part 2 — The Invisible Man Audiobook by H. G. Wells (Chs 18-28)


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: