Microondas para enfriar vórtices superconductores

Los superconductores son materiales de presente y de futuro para la transmisión no-disipativa de la información y de energía. Uno de los mecanismos principales de disipación en superconductores está relacionado con los vórtices – cuantos de flujo de campo magnético atrapados en el superconductor.

Normalmente, cualquier movimiento de vórtice superconductor resulta en la creación de un campo eléctrico en el superconductor con la consiguiente pérdida de la energía. En 1976 los teóricos rusos Larkin y Ovchinnikov (LO) consideraron el cambio de la estructura de los vórtices superconductores con el aumento de su velocidad y predijeron efectos no lineales relacionados con la disminución del tamaño de su núcleo y con la consiguiente disminución de la disipación. De este hecho resulta que la transición del estado superconductor al estado normal en función de la corriente en presencia de vórtices es muy abrupta y destructiva para la superconductividad. La situación sería parecida al hipotético movimiento de un coche cuya fricción disminuyese por encima de una velocidad crítica. Este efecto acabaría en la destrucción del coche debido al aumento exponencial de su velocidad al superar la velocidad crítica.

Aunque el fenómeno LO se conoce desde hace tiempo para vórtices en movimiento persistente, nunca se ha podido cuantificar la disminución de disipación asociada a este efecto. La clave podría estar en estudiar un movimiento rápido pero periódico de los vórtices. El efecto esperado podría ser parecido al que uno observa cuando mueve periódicamente una taza de café caliente (Figura 1): las moléculas más calientes de agua (vapor) se escaparían con mayor rapidez y la temperatura promedia disminuiría comparada con el caso en que la taza de café está sin movimiento.

Taza de Café (analogía con vórtice). a) Cuando se mueve la taza (el vórtice), en este caso de forma periódica, las partículas más calientes -en forma de vapor- (o los electrones en el vórtice) se quedan atrás, reduciéndose la temperatura promedio del conjunto. b) Si la taza (el vórtice) no se mueve, las partículas más calientes (los electrones en el caso del vórtice) se encuentran en un equilibrio dinámico con otras más frías. La temperatura promedio es mayor. Antonio Lara y Farkhad Aliev, UAM.

Taza de Café (analogía con vórtice). a) Cuando se mueve la taza (el vórtice), en este caso de forma periódica, las partículas más calientes -en forma de vapor- (o los electrones en el vórtice) se quedan atrás, reduciéndose la temperatura promedio del conjunto. b) Si la taza (el vórtice) no se mueve, las partículas más calientes (los electrones en el caso del vórtice) se encuentran en un equilibrio dinámico con otras más frías. La temperatura promedio es mayor. Antonio Lara y Farkhad Aliev, UAM.

Recientemente los investigadores del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (estudiante de doctorado Antonio Lara y profesor Farkhad Aliev) no solo han demostrado por primera vez experimentalmente y con simulaciones (Figura 2) la evidencia de la respuesta no-lineal de vórtices superconductores a un campo de microondas, sino que también han cuantificado los efectos de disminución de disipación en un sistema de vórtices superconductoras pinchados por vórtices magnéticos. Los resultados de este trabajo podrían proporcionar a los dispositivos superconductores una mayor estabilidad (contra avalanchas de vórtices) así como la capacidad de procesamiento de información.

Reducción del núcleo del vórtice (simulación). El radio del vórtice cambia, dependiendo de su velocidad. En a) se representa un vórtice en movimiento (correspondiente a la figura 1a, con menor temperatura promedio) y en b) un vórtice estático (correspondiente a la figura 1b). Antonio Lara y Farkhad Aliev, UAM.

Reducción del núcleo del vórtice (simulación). El radio del vórtice cambia, dependiendo de su velocidad. En a) se representa un vórtice en movimiento (correspondiente a la figura 1a, con menor temperatura promedio) y en b) un vórtice estático (correspondiente a la figura 1b). Antonio Lara y Farkhad Aliev, UAM.

Antonio Lara, Farkhad Aliev, Alejandro Silhanek, Victor Moshchakov, “Microwave-stimulated superconductivity due to presence of vórtices”, Scientific Reports, 5,  9187 (2015) DOI: 10.1038/srep09187.

MAGNETRANS, UAM