Realizan la primera observación y medición directa de vórtices de movimiento ultra-rápido en superconductores

La superconductividad es un estado de materia en el que una corriente eléctrica puede fluir sin ninguna resistencia. Esto ocurre cuando ciertos materiales se enfrían por debajo de una temperatura crítica. El efecto es útil para diversas aplicaciones, desde trenes de levitación magnética a máquinas de resonancia magnética y aceleradores de partículas. También crea la imaginación con pensamientos de transferencia de energía sin pérdidas y computación mucho más rápida.

Sin embargo, la superconductividad es, en general, suprimida en presencia de campos magnéticos, limitando la capacidad de usar estos materiales en aplicaciones de la vida real. Una determinada familia de superconductores, llamada 'tipo 2', puede soportar valores mucho más altos de campos magnéticos. Esto es gracias a su capacidad para permitir que el campo magnético se enrosque a través del material de una manera cuantificada, en una forma tubular local denominada vórtice. Desafortunadamente, en presencia de corrientes eléctricas, estos vórtices experimentan una fuerza y pueden comenzar a moverse. El movimiento de los vórtices permite la resistencia eléctrica que, de nuevo, plantea un obstáculo para las aplicaciones.

Comprender cuándo y cómo los vórtices se moverán o permanecerán localizados es el foco de muchas de las investigaciones científicas. Hasta ahora, abordar experimentalmente la física de los vórtices de movimiento rápido ha resultado sumamente difícil, principalmente por la falta de herramientas adecuadas.

Ahora, un equipo internacional de investigadores, dirigido por el profesor Eli Zeldov, del Instituto de Ciencia Weizmann, y el doctor Yonathan Anahory, profesor en el Instituto de Física de Racah de la Universidad Hebrea de Jerusalén, ha demostrado por primera vez cómo estos vórtices se mueven en materiales superconductores y cómo de rápido podrían viajar.

VÓRTICES A 72.000 KILÓMETROS POR HORA

Para ello, los investigadores utilizaron una nueva técnica de microscopía llamada exploración SQUID-on-tip, que permite imágenes magnéticas a una alta resolución sin precedentes (alrededor de 50 nm) y sensibilidad magnética. La técnica se desarrolló durante la última década en el Instituto Weizmann por un equipo formado por los estudiantes de Doctorado en Filosofía Lior Embon y Ella Lachman, y actualmente está siendo implementado en la Universidad Hebrea de Jersualén en el laboratorio del doctor Anahory.

Utilizando este microscopio, observaron vórtices que fluían a través de una fina película superconductora a velocidades de decenas de GHz y viajaban a velocidades mucho más rápidas de lo que se creía posible, hasta aproximadamente 72.000 kilómetros por hora. Esto no sólo es mucho más rápido que la velocidad del sonido, sino que también supera el límite de velocidad de condensación superconductora, lo que significa que un vórtice puede viajar 50 veces más rápido que el límite de velocidad de la supercurrencia que lo impulsa. Esto sería como conducir un objeto para viajar alrededor de la Tierra en poco más de 30 minutos.

En las fotos y vídeos mostrados por primera vez, las trayectorias de vórtice aparecen como líneas manchadas que cruzan de un lado de la película a otra. Esto es similar a la borrosidad de imágenes en fotografías de objetos que se mueven rápidamente. Muestran una estructura similar a un árbol con un solo tallo que sufre una serie de bifurcaciones en ramas. Este flujo de canal es bastante sorprendente, ya que los vórtices normalmente se repelen entre sí y tratan de esparcirse tanto como sea posible. Es aquí donde los vórtices tienden a seguirse el uno al otro, lo que genera una estructura similar a un árbol.

HALLAZGOS ESENCIALES PARA LA ELECTRÓNICA DEL FUTURO

Un equipo de físicos teóricos de Estados Unidos y Bélgica, dirigido por los profesores Alexander Gurevich y Milorad Milosevi, explica, en parte, esta constatación por el hecho de que cuando un vórtice se mueve, la aparición de la resistencia se calienta localmente el material, lo que hace que sea más fácil que los siguientes vórtices recorran la misma ruta.

"Este trabajo ofrece una visión de la física fundamental de la dinámica del vórtice en superconductores, crucial para muchas aplicaciones", señala el doctor Lior Embon, estudiante en el momento a cargo de este estudio. "Estos hallazgos pueden ser esenciales para el desarrollo posterior de la electrónica superconductora, abriendo nuevos retos para teorías y experimentos en el todavía inexplorado rango de campos electromagnéticos y corrientes muy altas".

"La investigación muestra que la técnica SQUID-on-tip puede abordar algunos problemas pendientes de superconductividad sin equilibrio, vórtices ultra-rápidos y muchos otros fenómenos magnéticos a escala nanométrica", asegura por su parte el doctor Yonathan Anahory, profesor titular del Instituto Racah de la Universidad Hebrea.

Además, los resultados de simulación obtenidos por los investigadores belgas sugieren que mediante el diseño apropiado de la muestra y la mejora de la remoción de calor debería ser posible alcanzar velocidades aún mayores. En este régimen, las frecuencias calculadas de penetración de los vórtices pueden ser empujadas hasta el intervalo de frecuencia de THz, tecnológicamente deseado.

La investigación descubre la rica física de vórtices ultra-rápidos en películas superconductoras, y ofrece una amplia perspectiva para más investigaciones experimentales y teóricas. En el futuro, esta tecnología podría permitir a los investigadores probar diseños que apunten a reducir el movimiento del vórtice y mejorar las propiedades de los superconductores.