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Observan el movimiento de haces de vórtices superconductores

11/06/2013

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Nanociencia de Aragón, observan por vez primera, de forma directa, el desplazamiento conjunto de haces de vórtices superconductores predichos por P.W. Anderson en 1962, y determinan los mecanismos microscópicos de su dinámica.

Evolución de un haz de vórtices
Evolución de un haz de vórtices

El diámetro de un vórtice en un superconductor de tipo dos es 10.000 veces más pequeño que el de un cabello humano

Para estudiar el movimiento de haces de vórtices en las condiciones más favorables, investigadores del INA han conseguido fabricar la nanoestructura superconductora necesaria para poder realizar estos experimentos

Los superconductores expulsan los campos magnéticos hasta un cierto valor, a partir del cual, o bien pierden la superconductividad (los denominados de tipo uno, como el plomo o el aluminio) o no la pierden hasta que el campo, parcialmente expulsado, penetra completamente (los de tipo dos, en los que el campo penetra parcialmente por los bordes en forma de vórtices cuánticos, creándose una estructura magnética ordenada, la red de Abrikosov). El diámetro de un vórtice en un superconductor de tipo dos es 10.000 veces más pequeño que el de un cabello humano. Las interacciones entre vórtices son de naturaleza cuántica. De hecho, los vórtices son como pequeños “tornados” o remolinos cuánticos, en los que circula a gran velocidad una corriente eléctrica permanente (o supercorriente).


En un superconductor ideal, los vórtices se distribuyen uniformemente, y su densidad aumenta proporcionalmente con campo magnético aplicado, manteniendo una estructura ordenada que, generalmente, forma una red hexagonal. En los superconductores reales, los defectos y/o impurezas presentes en el material anclan los vórtices a su paso por ellos, dificultando su movimiento y produciendo desorden en la red. Esto permite aumentar el rango de campos magnéticos en el que los superconductores se comportan como tal. De hecho, en los destinados a uso mediante la inclusión de centros de anclaje. La optimización de este proceso es problema de la ciencia de materiales de enorme interés económico.

En los superconductores duros, la densidad de vórtices disminuye rápidamente hacia el centro de la muestra, generando una situación de no equilibrio conocida como estado crítico. Este estado de no equilibrio puede alterarse, por ejemplo, en respuesta a un aumento de campo, que actúa modificando el perfil de densidad para acoplar a los nuevos vórtices que entran. Hay por tanto una presión por entrar cuya relajación conduce a un avance hacia el centro del frente de vórtices. En cada etapa el sistema alcanza un nuevo estado crítico. El movimiento de los vórtices depende de un balance muy delicado entre la repulsión entre ellos, su interacción con los centros de anclaje, y la fuerza de Lorentz debida a las corrientes inducidas en el superconductor por el gradiente de campo magnético presente en su interior.

En 1962 Philip Warren Anderson propuso un mecanismo para este avance: los vórtices sortean los obstáculos no de forma individual, sino que varios vórtices juntos forman un haz que se desplaza, relajando localmente la sobrepresión. Conocer y controlar los mecanismos internos que rigen el movimiento de estos haces, es un tema que ha sido objeto de muchas investigaciones, y que sigue abierto, dado que no ha sido posible
hasta ahora acceder a una visualización directa de los vórtices durante su desplazamiento.

En un trabajo publicado en la revista Physical Review Letters, investigadores del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la UAM, y del Instituto de Nanociencia de Aragón (INA), han observado y estudiado de forma directa, por vez primera, el desplazamiento de un haz de varias decenas de vórtices cuando el campo magnético se aumenta en pequeños incrementos.

Para estudiar el movimiento de haces de vórtices en las condiciones más favorables, investigadores del INA han conseguido fabricar la nanoestructura superconductora necesaria para poder realizar estos experimentos. En el Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad Autónoma de Madrid (LBTUAM), se ha enfriado dicha nanoestructura, hasta las proximidades del cero absoluto, montada en un microscopio de efecto túnel, diseñado por los científicos del LBTUAM junto con los técnicos e ingenieros de los servicios de apoyo a la investigación (SEGAINVEX) de la UAM, con el que se pueden visualizar los vórtices uno a uno.

El experimento realizado demuestra que el concepto de haz, o manojo, de vórtices, propuesto por Anderson, es fundamental a la hora de explicar el comportamiento bajo campo de los superconductores duros. Los haces avanzan en una secuencia de deformaciones pequeñas seguidas de otras mayores, o avalanchas, en las que se relaja la tensión acumulada previamente.

Estos experimentos muestran directamente, por primera vez, tipos de mecanismos mediante los cuales los superconductores de mayor interés industrial funcionan, y pueden ayudar a establecer rutas para la mejora de sus prestaciones, así como para la preparación de nuevos materiales.

Imagen: Fotografías de la evolución de un haz (o manojo) de vórtices tomadas a 100 mK en un superconductor a base de Tungsteno mediante microscopía y espectroscopía de efecto túnel. El tamaño lateral es de 260 nanómetros, y cada mancha negra representa un solo vórtice. Las líneas rojas son centros de anclaje nanofabricados. Los puntos azules muestran vórtices con 6 próximos vecinos. A 1.112 T, casi todos los vórtices tienen 6 próximos vecinos. A 1.120 T y 1.128 T, el haz se desordena, y algunos vórtices tienen 5 o 7 próximos vecinos, marcados, respectivamente, por puntos naranjas y verdes. El desorden se acumula, hasta que se produce una avalancha que involucra a unos 10 vórtices. El resultado es un nuevo haz en el que la mayoría de los vórtices tienen 6 próximos vecinos.