Stepenica visoka samo jedan atom može odrediti kojim će se smjerom kretati kvantni vrtlozi u supravodiču. Istraživači u Japanu pokazali su da takve površinske nepravilnosti djeluju poput tračnica: vrtlozi se mnogo lakše gibaju duž njih nego poprečno na njih.
U određenom rasponu magnetskog polja njihova je pokretljivost duž stepenica bila približno tisuću puta veća nego u poprečnom smjeru. Ponašanje se mijenjalo s temperaturom i jakošću polja, što fizičarima daje način da upravljaju smjerom gibanja u iznimno tankom supravodljivom sloju.
Tim Takashija Uchihashija iz japanskog istraživačkog centra MANA pri Nacionalnom institutu za znanost o materijalima (NIMS) opisao je rezultate u radu objavljenom 30. srpnja u časopisu Physical Review B.
Zašto je važno kuda se vrtlozi kreću
Supravodiči pri dovoljno niskoj temperaturi mogu voditi električnu struju bez električnog otpora. U određenim vrstama supravodiča magnetsko polje prodire u obliku kvantiziranih vrtloga magnetskog toka, oko kojih kruže supravodljive struje.
Kada se ti vrtlozi pomiču, mogu nastati gubici energije i električni otpor. Zbog toga je za rad supravodljivih uređaja važno mogu li se zadržati na mjestu ili usmjeriti određenim putem. U vrlo tankim slojevima kontrola njihova gibanja posebno je zahtjevna.
Uchihashijev tim istraživao je Josephsonove vrtloge u atomski tankom supravodiču od indija na površini silicija. Površina uzorka imala je niz približno paralelnih atomskih stepenica.
Otpor otkriva veliku razliku između dvaju smjerova
Skenirajućim tunelskim mikroskopom istraživači su provjerili raspored stepenica i izravno zabilježili vrtloge uz njih. Zatim su mjerenjima električnog otpora s četirima kontaktima pratili kako se uzorak ponaša pri različitim temperaturama i magnetskim poljima.
Ključna je usporedba bila između smjera duž stepenica i smjera poprečno na njih. Pokazalo se da električni otpor snažno ovisi o smjeru, što odražava razliku u pokretljivosti vrtloga. Pri srednjim vrijednostima magnetskog polja ta je razlika dosezala približno tri reda veličine.
Atomske stepenice olakšavaju gibanje vrtloga u jednom smjeru, dok im je prelazak preko njih znatno otežan.
U rasponu magnetskog polja od približno 0,10 do 0,20 tesla tim je utvrdio jednodimenzionalno gibanje duž stepenica bez uobičajenog zapinjanja vrtloga na nepravilnostima materijala. Na najnižim temperaturama njihovim je gibanjem upravljalo kvantno tuneliranje, prolazak kroz energetsku barijeru koju prema klasičnoj fizici ne bi mogli svladati.
Temperatura i polje mijenjaju način gibanja
Prema objašnjenju NIMS-a, važna je mogućnost podešavanja učinka promjenom temperature i magnetskog polja. U istom uzorku vrtlozi se mogu gibati na različite načine, ovisno o uvjetima mjerenja.
Istraživači u takvom usmjeravanju vide mogućnost za razvoj supravodljivih sklopova s manjom potrošnjom energije te za upravljanje prijenosom topline. Kako bi se učinak iskoristio u uređajima, bit će potrebna daljnja istraživanja.
