Esta foto mostra quatro imagens diferentes de vórtices
que penetram a taxas de dezenas de GHz em um filme supercondutor de chumbo e
que viajam a velocidades de até 20 km/s. As
trajetórias do vórtice, que aparecem como linhas manchadas, mostram uma
estrutura em forma de árvore com um único caule que sofre uma série de
bifurcações em ramos. Cada
imagem é feita em um campo magnético diferente e cada imagem é 12x12 μm2.
Crédito:
Yonathan Anahory/Universidade Hebraica.
Pesquisadores fizeram a primeira observação visual direta
e a medição da dinâmica de vórtices ultra-rápidos em supercondutores. Sua
técnica, detalhada na revista Nature Communications,
poderia contribuir para o desenvolvimento de novas aplicações práticas ao
otimizar as propriedades supercondutoras para uso em eletrônica.
A supercondutividade, em geral, pode ser suprimida na
presença de campos magnéticos, limitando a capacidade de uso desses materiais
em aplicações da vida real. Uma
certa família de supercondutores, chamada de tipo 2, pode suportar valores
muito maiores de campos magnéticos. Isto
é graças à sua capacidade de permitir que o campo magnético ‘atravesse’ o material
de forma quantizada, em uma forma tubular local chamada de vórtice. Infelizmente,
na presença de correntes elétricas, esses vórtices experimentam uma força e
podem começar a se mover. O
movimento dos vórtices provoca resistência elétrica, o que, novamente, representa
um obstáculo para as aplicações.
Compreender quando e como os vórtices se moverão ou
permanecerão localizados é o foco de muita pesquisa científica. Até
agora, abordar a física dos vórtices em movimento rápido demonstrou ser
extremamente desafiador, principalmente devido à falta de ferramentas
adequadas.
Agora, uma equipe internacional de pesquisadores liderada
pelo Prof. Eli
Zeldov do Weizmann Institute of Science
e o Dr. Yonathan
Anahory, mostrou pela primeira vez como esses vórtices se movem em
supercondutores e
quão rápido eles podem viajar. Eles usaram uma nova técnica de microscopia
chamada SQUID-on-tip, que permite a
imagem magnética em alta resolução sem precedentes (cerca de 50 nm). A
técnica foi desenvolvida na última década no Instituto Weizmann.
Usando este microscópio, eles observaram vórtices que
fluem através de um filme supercondutor fino a taxas de dezenas de GHz e viajam
a velocidades muito mais rápidas do que se pensava possível, até cerca de 72000
km/h (45000 mph). Isso
não é apenas muito mais rápido do que a velocidade do som, mas também excede o
limite de velocidade de quebra do condensado supercondutor, o que significa que
um vórtice pode viajar 50 vezes mais rápido do que o limite de velocidade da
supercorrente que o conduz. Isso
seria como dirigir um objeto para viajar ao redor da Terra em pouco mais de 30
minutos.
Nas fotos e vídeos mostrados pela primeira vez, as
trajetórias do vórtice aparecem como linhas manchadas cruzando de um lado a
outro do filme. Isso
é semelhante ao desfocar de imagens em fotografias de objetos em movimento
rápido. Eles
mostram uma estrutura em forma de árvore com um único caule que sofre uma série
de bifurcações em ramos. Este
fluxo de canal é bastante surpreendente, uma vez que os vórtices normalmente se
repelem e tentam espalhar o máximo possível. Aqui
os vórtices tendem a se seguir, o que gera a estrutura semelhante a uma árvore.
Uma equipe de físicos
teóricos dos EUA e da Bélgica, liderada pelos professores Alexander Gurevich e Milorad Miloševic,
explicou parcialmente essa descoberta pelo fato de que, quando um vórtice se
move, a resistência aquece localmente o material, o que torna mais fácil os
demais vórtices seguirem a mesma rota. “Este trabalho oferece uma visão da física fundamental da
dinâmica de vórtices em supercondutores, crucial para muitas aplicações”,
disse o Dr. Lior Embon, que era, na época, o estudante responsável por este
estudo. “Essas
descobertas podem ser essenciais para o desenvolvimento da eletrônica
supercondutora, abrindo novos desafios para teorias e experiências na ainda
inexplorada gama de campos e correntes eletromagnéticas muito altas".
“A pesquisa mostra que a técnica SQUID-on-tip pode abordar alguns problemas
pendentes da supercondutividade sem equilíbrio, vórtices ultra-rápidos e muitos
outros fenômenos magnéticos à escala nanométrica”, disse o Dr. Yonathan
Anahory.
Além disso, os resultados das simulações sugerem que,
através do desenho adequado da amostra e da remoção de calor melhorada, deve
ser possível alcançar velocidades ainda maiores. Nesse
regime, as frequências calculadas de penetração de vórtices podem ser ‘empurradas’
para o intervalo de freqüência de THz muito tecnicamente desejado.
A pesquisa descobre a rica física de vórtices
ultra-rápidos em filmes supercondutores e oferece uma perspectiva ampla para
novas investigações experimentais e teóricas. No
futuro, essa tecnologia poderia permitir aos pesquisadores testar projetos que
visam reduzir o movimento dos vórtices e melhorar as propriedades dos
supercondutores.
