Artículo destacado octubre-diciembre 2017: Vórtices doblados en superconductores

Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria  correspondiente a artículos publicados entre octubre y diciembre de 2017.

Por Edwin Herrera-Vasco.

Van Gogh nos muestra, en la noche estrellada, múltiples remolinos de diversos tamaños que invitan a pensar en remolinos en gases y fluidos. A diferencia de los remolinos en mecánica clásica de fluidos, los remolinos en los superconductores (también llamados vórtices) tienen la circulación cuantizada y son todos iguales. Cada vórtice porta un solo flujo de campo magnético. Las corrientes que forman el vórtice están en un plano perpendicular a la dirección del campo magnético, por lo que los vórtices forman hilos que siguen la dirección del campo. Hasta ahora solo había sido posible observar estos remolinos rectos en un laboratorio, creados por el campo (recto) de solenoides (casi) infinitos. Pero en cualquier aplicación de un superconductor, las líneas de campo no están rectas y los vórtices se doblan. En un estudio reciente se visualizan vórtices doblados y se demuestra que, en estas circunstancias, la interacción entre vórtices se modifica sustancialmente.

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Imágenes de vórtices en la superficie de un superconductor, representados mediante la escala de colores azul (exterior del vórtice) a rojo (núcleo central del vórtice).  θ es el ángulo de inclinación del campo con respecto al vector perpendicular a la imagen. La escala de longitud viene indicada en cada panel mediante una línea blanca. El panel de la izquierda muestra el resultado para campo magnético perpendicular, donde los vórtices salen perpendiculares a la superficie del superconductor y tienen una forma circular (círculo blanco). El panel de la derecha muestra el resultado para campo magnético casi paralelo. A pesar de que el campo magnético es casi paralelo (dirección de la flecha blanca), los vórtices tienen la misma forma circular (círculo blanco). Mediante la elipse blanca se representa la forma esperada del vórtice si este saliera formando un ángulo diferente a 90º con la superficie. Los vórtices se doblan pues dentro del material para llegar a la superficie formando un ángulo recto. La escala de colores vertical representa la conductancia túnel normalizada a su valor en estado normal.

En 2018, más de un siglo después de su descubrimiento, los materiales superconductores ya son usados en un sin número de aplicaciones prácticas [1] y su futuro empleo [2] promete un panorama que revolucionará la forma en la que transportamos y consumimos energía [3]. El uso de superconductores en dispositivos está limitado por el movimiento de los vórtices al paso de una corriente eléctrica. Los vórtices se repelen entre ellos y forman una red hexagonal. En el núcleo del vórtice, el material se encuentra en el estado normal y alrededor del núcleo circulan supercorrientes. Las características estructurales o electrónicas del material pueden modificar la interacción entre vórtices y producir redes con una simetría diferente a la hexagonal. Además, los vórtices se anclan a defectos o impurezas normales, en las que la formación del núcleo normal cuesta menos energía que en las zonas superconductoras. Se establece una competición entre la distribución de centros de anclaje y la red de vórtices hexagonal. Cuando el superconductor está dentro de un solenoide infinito, esta competición se suele resolver con una red de vórtices casi rectos y que, en la mayoría de los casos, sigue siendo casi hexagonal. Sin embargo, en un dispositivo real, las líneas de campo suelen tener una distribución compleja y la red de vórtices debe adoptar formas curvas dentro del material. Resulta pues importante conocer el comportamiento de vórtices fuertemente curvados.

Los vórtices pueden observarse mediante diferentes técnicas. Una de las más utilizadas es la microscopía de efecto túnel. Gracias a esta técnica se observa como emergen los vórtices de la superficie del superconductor; se puede determinar su posición de forma precisa y, a partir de ello ser puede inferir lo que sucede con los vórtices dentro del material. Casi todos los estudios analizan el problema de una red de vórtices que sale casi hexagonal de la superficie del superconductor y resultaba imposible hasta el momento analizar qué ocurre en redes de vórtices curvadas.

El equipo del artículo [4], compuesto por investigadores de Madrid, Ames y Bogotá, construyó primero un grupo de solenoides superconductores que permiten modificar la dirección del vector de campo magnético con respecto a la superficie de la muestra. Con este instrumento [5] ha podido estudiar vórtices en la superficie de un superconductor bajo campos magnéticos inclinados. Para el estudio en cuestión, se ha escogido un material en el que los vórtices se curvan al llegar a la superficie. De esta forma, se observan por primera vez vórtices doblados.

Los investigadores encuentran que, incluso cuando la curvatura es máxima, los vórtices mantienen su forma circular. Además, la interacción entre vórtices cambia sustancialmente y pasa a ser de muy largo alcance. Este resultado sugiere que es posible diseñar patrones de anclaje que tengan en cuenta las deformaciones a lo largo del vórtice, y producir así superconductores que son capaces de transportar más corriente, incrementando los campos de aplicación tecnológica de estos materiales.

[1] http://www.columbussuperconductors.com/applications.asp
[2] http://www.bbc.com/news/world-asia-32391020
[3] https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs11027-005-9031-4.pdf
[4] Artículo destacado: Subsurface bending and reorientation of tilted vortex lattices in bulk isotropic superconductors due to Coulomb-like repulsion at the surface, E. Herrera, et. al., Phys. Rev. B 96, 184502 (2017), https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.184502
[5] Three axis vector magnet set-up for cryogenic scanning probe microscopy, Review of Scientific Instruments 86, 013706 (2015), http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4905531