Физики создали «метлу» для абрикосовских вихрей

Физики из России и Франции научились с помощью лазера управлять отдельными абрикосовскими вихрями и даже «расчищать» от них некоторую область в материале. Вихрями Абрикосова называют экранирующие сверхпроводящие токи, которые окружают кванты магнитного потока, проникающие в некоторые сверхпроводники при приложении внешнего магнитного поля. Разработанная методика может не только стать основой для создания высокопроизводительных компьютеров, работающих на вихрях Абрикосова, но также способом «очистки» дефектных материалов от нежелательных вихрей, нарушающих сверхпроводящее состояние. Работа опубликована в журнале Nature Communications, пресс-релиз доступен на сайте МФТИ.

Явление сверхпроводимости — возникновение нулевого сопротивления в некоторых материалах — было открыто в 1911 году голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом. Он же два года спустя обнаружил, что сверхпроводящее состояние может быть разрушено сильными магнитными полями. Несовместимость магнитного поля и сверхпроводимости связана с еще одним свойством таких материалов — эффектом Мейснера. Когда к сверхпроводнику прикладывают внешнее магнитное поле, он «стремится» вытолкнуть его из своего объема, создавая экранирующие электрические токи, компенсирующие внешнее поле. Величина тока пропорциональна внешнему магнитному полю, и когда ток достигает некоторого критического значения, магнитное поле начинает проникать в образец, и сверхпроводимость разрушается.

Позднее было показано, что магнитное поле не всегда приводит к полному разрушению сверхпроводимости во всем объеме материала. В некоторых случаях, при достижении полем некоей критической величины (она называется первой критической), оно начинает частично проникать в образец, не разрушая сверхпроводимости в целом. При этом объем материала оказывается «пронизан» отдельными единичными квантами магнитного потока, каждый из которых экранируется от остального образца круговыми сверхпроводящими токами. Такие образования называются вихрями Абрикосова.

Если продолжать увеличивать магнитное поле, количество вихрей тоже будет увеличиваться. В какой-то момент плотность абрикосовских вихрей достигнет максимально возможной величины, и весь образец перейдет в нормальное (несверхпроводящее) состояние. Материалы, в которые магнитное поле может проникать таким образом, называются сверхпроводниками второго рода.

Строго говоря, для сверхпроводников первого рода также существует два критических поля. Однако поскольку интервал между ними очень узок, при указании разрушающего поля обычно указывается лишь одна величина. Такое различие в поведении сверхпроводников связано с тем, что в случае первого рода магнитное поле проникает в образец не отдельными квантами, а сразу целыми «пучками», что быстро приводит к разрушению сверхпроводящего состояния.

Возможность образования абрикосовских вихрей значительно увеличивает величину индукции поля, которую может «выдерживать» материал, поэтому область применения сверхпроводников второго рода гораздо шире, чем для первого рода. Их используют для создания сверхсильных магнитов для магнитно-резонансной томографии, ускорителей частиц — циклотронов и коллайдеров, а также для установок по удержанию плазмы — например, в токамаке или реакторе ИТЭР.

Для построения логических схем и ячеек памяти на основе абрикосовских вихрей необходимо было научиться эффективно ими управлять, используя простой технически и при этом не требующий больших затрат энергии метод. Ранее было показано, что различные параметры вихрей можно контролировать с помощью магнитного поля, электрических токов или градиента температур. Однако применяемые методики были слишком медленными и настолько сложными технически, что представляли только научный интерес.

Авторы новой работы применили один из вышеуказанных способов — градиент температур, и смогли построить быстрый и точный метод, позволяющий манипулировать как отдельными вихрями, так и целым их массивом. В основе устройства лежит оптический лазер, который, нагревая небольшую область материала рядом с вихрем, заставляет его двигаться в нужном направлении. Достигнув точки назначения, лазер выключают, и вихрь оказывается «закреплен» на новом месте. Такой способ манипуляции возможен из-за фундаментальной особенности абрикосовских вихрей: область с более высокой температурой, дефектом или примесью является для них зоной с более низкой энергией, а это, в свою очередь, вызывает возникновение движущей силы, направленной к тому или иному дефекту.

Применив новую методику к сверхпроводящей пленке из ниобия, авторы смогли «написать» вихрями на ее поверхности аббревиатуру A V — Abrikosov vortices. Чтобы при манипуляции лазерной точкой не захватывать соседние вихри, система позиционирования строила траекторию лазера таким образом, чтобы она проходила как можно дальше от любого другого вихря. Для этого к поверхности пленки применяли разбиение Вороного, в котором каждой «точке» (вихрю) соответствует область пространства, наиболее близкая именно к этой точке, а не к какой-либо другой.

Ученые также опробовали возможность управления не только отдельными вихрями, но и их массивами. Для этого лазер фокусировали в большую «точку» радиусом несколько микрометров и «расчищали» выбранную площадь на поверхности материала, заставляя вихри концентрироваться на ее краях. Поскольку центры абрикосовских вихрей представляют собой области нормального (не в сверхпроводящем состоянии) материала, они рассеивают энергию и являются источниками внутреннего «шума» для многих сверхпроводящих устройств. Поэтому новая методика может найти применение как способ «очистки» сверхпроводящих материалов от нежелательных вихрей.

Основной сложностью, с которой столкнулись ученые в новой работы, стал подбор интенсивности лазерного излучения. Во-первых, она должна быть достаточно низкой, чтобы не допустить перегрева материала выше критической температуры, при которой разрушается сверхпроводимость. Во-вторых, она должна обеспечивать смещение вихрей из устойчивых позиций. Поскольку изначально большинство вихрей локализуется на дефектах и примесях, существует некий энергетический барьер, который они должны преодолеть, чтобы сместиться из такой энергетически выгодной позиции. Чтобы решить эту проблему, авторы воспользовались оценочными вычислениями, основанными на теоретических моделях сверхпроводимости.

Манипулирование абрикосовскими вихрями было бы невозможным без создания способов их визуализации. Впервые снимок вихревой решетки был сделан в 1967 году физиками из Института Макса Планка в Штутгарте, Германия. В основе большинства методов съемки лежат магнитооптические явления (авторы новой работы использовали эффект Фарадея) — вращение плоскости поляризации света, вызванное отражением или прохождением через намагниченный материал. Вихри в сверхпроводнике как раз представляют собой «нити» магнитного поля, пронизывающие образец, поэтому они оказываются хорошо «видны» на фоне сверхпроводящих областей, через которые магнитное поле не проходит. Снимки вихревых решеток, наблюдаемых в различных материалах с момента их первого обнаружения, можно посмотреть в Галерее вихрей Абрикосова на сайте Лаборатории сверхпроводников Университета Осло.