Vi ska nu ge oss in i det märkliga gränsland där en legering står och velar mellan att vara supraledare eller inte. Vissa vedertagna regler gäller, andra inte. Det är i gränslandet som intressanta saker sker.
Coherent magnetic vortex motion in optically formed channels for easy flow in YBa2Cu3O7-X superconducting thin films står det som rubrik på en vetenskaplig avhandling i Applied Physics från juni 2013, skriven av bland andra Arturas Jukna vid Vilnius Gediminas Technical University i Vilnius i Litauen. Rubriken låter jätteimponerande, men vad är det?
Det handlar om hur de magnetiska egenskaperna i 50 my breda och 100 my långa supraledare av yttrium-barium-kopparoxid (YBCO), där man delvis avlägsnat en del syreatomer, underlättar rörelsen hos magnetiska virvlar, strax under den kritiska temperaturen där supraledning inträffar. Kanalerna där vivlarna rör sig, skapas genom att man ritar 5 my breda spår i ytan på den supraledande filmen med en laser på 0,3 watt, vilket resulterar i smala områden i kristallen med minskat syreinnehåll. Den syrefattiga kanalen uppvisar lägre kritisk temperatur (Tc), såväl som lägre kritisk strömdensitet och kritisk magnetisk fältstyrka än en obehandlad yta.
Man skickar en ström genom supraledaren och mäter spänningsfallet med en känslig voltmätare. Den ström som genomflyter mätbryggan skapar ett magnetfält som tränger igenom kanalen och där skapar magnetiska virvlar, sk abrikosov-virvlar, som rör sig koherent längs kanalen. Virvlarna är inget annat än helt vanlig virvelström, som uppstår i vilken motor som helst, men de uppträder endast inom det smala temperaturområdet 0,943 Tc – 0,98 Tc och visar sig som steg i mätbryggans ström-spänningskaraktäristik. Detta visar att kanaler för magnetiskt flöde som skapats med laser kan användas för exakt styrning av hur virvlarna formas och för att styra deras koherenta rörelse längs förutbestämda områden på YBCO-enheter av tunnfilmstyp.
Blev det klarare? Det rör sig alltså om mycket små supraledande enheter där meissnereffekten inte gäller, du vet det där fenomenet som gör att supraledaren stöter bort alla magnetiska fält, vilket resulterar i att små magneter kan flyta ovanpå en supraledare som ett maglevtåg. Fenomenen uppträder inom ett mycket smalt driftområde och enheten får egenskaper som gör att den kan användas som en mycket känslig sensor.
Bild: Audrone Vodzinskaite.
Detta ska visa sig inte enbart ha akademiskt intresse. För att förstå fenomenet och vad man kan ha det till, talar vi med Arturas Jukna, professor och institutionsledare för fysikinstitutionen vid VGTU i Vilnius, som ungefär motsvaras av KTH i Stockholm.
– Institutionen här är ganska stor, med cirka 40 professorer och assisterande professorer som både undervisar och forskar i fysik. Själv arbetar jag med grundforskning inom materialvetenskap, inom området supraledande material. Jag sysslar med supraledande materials elektriska, magnetiska och optiska egenskaper. Jag har också arbetat på institutionen för materialvetenskap på KTH.
VGTU har för närvarande strax under 20.000 studenter och är det näst största universitetet i Litauen. För närvarande kan Litauen tyckas stå på en ganska låg internationell nivå inom supraledarforskningen vad gäller möjligheter att undersöka och producera. Detta har naturligtvis ekonomiska orsaker. Men å andra sidan kan vi samverka med andra länder. Härvarande fysikinstitution samarbetar med motsvarande institution vid Rochester University i New York i USA. Det var på denna institution man byggde den första enfotondetektorn (mera nedan). Experiment med enfotonsteleskop började under tidigt 1990-tal vid Rochester. Jag kom själv till USA år 2002 och började arbeta med supraledare. Så vad ska man säga om nivån på supraledarforskningen i Litauen? Egentligen är den väldigt hög, eftersom vi arbetar med de mest avancerade teknikerna, på samma nivå som i USA, med samma typ av mätinstrument. Vi kan till exempel låta amerikanerna skapa en supraledare och ta hit den och mäta på den här. Vi publicerar också många vetenskapliga utredningar tillsammans, säger Arturas.
Hur fungerar en supraledare?
Det är fortfarande ingen som vet varför ett ämne blir supraledande, eller vad som får det att bli supraledande vid en viss temperatur.
Man kan se att alla supraledare har gemensamma egenskaper. Den mest kända är att ledarens resistans helt försvinner, det sk meissnertillståndet. Supraledningen styrs av två faktorer, den kritiska temperaturen Tc och det kritiska magnetfältet Hc. Supraledningen upphör (och övergår i det sk normaltillståndet) vid temperaturer över Tc och vid fält över Hc, men övergången är inte skarp. I själva verket finns det två kritiska fältstyrkor, kallade Hc1 och Hc2 (som naturligtvis är olika för olika supraledare).
Över Hc1 finns ett blandtillstånd (mixed state, shubnikovtillståndet) där supraledaren är permeabel för magnetfält. Man väljer det supraledande materialet i kanalen så att den omkringliggande YBCO befinner sig under Tc medan materialet i kanalen befinner sig i blandtillståndet vid samma temperatur, nämligen flytande kväve, 77K. Över Hc2 övergår supraledaren till en vanlig resistiv ledare eller en isolator, det sk normaltillståndet.
Meissnereffekten orsakar strömförträngning, så att den elektriska strömmen egentligen bara rör sig i ledarens ytskikt. När fältstyrkan kommer upp över Hc1 börjar strömmen kunna penetrera supraledaren allt längre in. Till sist kan strömmen flyta i hela supraledaren.
Bild: Mai-Linh Doan, Creative Commons
Meissnereffekten anger att en supraledare inte kan penetreras av ett magnetfält. Istället stöts fältet bort av det motmagnetfält som induceras i supraledaren. Det är av den anledningen som små magneter kan flyga i luften ovanför en supraledare. Men i blandtillståndet uppstår magnetiska virvlar, abrikosov-virvlar eller fluxoner (FI0, Fi-noll), där det magnetiska flödet tränger igenom supraledaren eftersom materialet i mitten av virveln är i normaltillståndet. Magnetfältet rinner igenom som vatten genom en sil. Den flygande magneten skulle falla ned.
När en flödeslinje går igenom en ledare gör den som den brukar, den genererar en ström som flyter kring den, som vilken virvelström i vilken elektromagnetisk generator som helst. När en supraledare i blandtillståndet genomflyts av ett magnetfält uppstår en matris av virvlar med ungefär 4 nanometers diameter, en sk abrikosov-matris (av abrikosov-virvlar). Eftersom virvlarna är av lika riktning, eller har lika tecken om man så vill, stöter de bort varandra, krockar inte och kommer inte att flyta samman. Materialet kommer i möjligaste mån att fyllas med virvlar.
En matris av abrikosov-virvlar som snyggt står och stampar och stöter bort varandra i supraledande magnesium-bor.
Om en smal supraledare i blandtillståndet genomflyts av en ström som genererar ett cirkulärt magnetfält kring ledaren, kommer fältet att flyta exempelvis uppåt vid ledarens ena sida och nedåt på den andra. Abrikosov-virvlarna som bildas vid ena sidan blir uppåtriktade och på den andra sidan nedåtriktade, dvs får motsatt tecken. På grund av strömmen (transportströmmen) dras de då emot varandra av en kraft kallad Lorenz-kraften. Man kan också se det som att magnetfältet försöker dra ihop sig så mycket som möjligt. När en upp-virvel och en ned-virvel möts i mitten av ledaren kommer de att annihilera varandra.
Men i samma stund som två virvlar annihileras kommer två nya virvlar att bildas ute vid ledarens kanter och börja röra sig inåt mot mitten och annihileras. Det är det som kallas för koherent rörelse. Resultatet är att det alltid kommer att finnas samma koncentration av virvlar vid en given ström. Ju högre transportström och därmed magnetfält man har, desto flera virvlar bildas och annihileras per tidsenhet. Detta kan man klart och tydligt mäta.
