Le laboratoire Ames du département américain de l'Énergie a démontré avec succès qu'un nouveau type de magnétomètre optique, le magnétoscope NV, peut cartographier une caractéristique unique des matériaux supraconducteurs qui, avec une résistance nulle, définit la supraconductivité elle-même.

Cette caractéristique unique est l'effet Meissner, qui est l'expulsion du champ magnétique lors de la transition d'un matériau vers un état supraconducteur.

"L'effet Meissner est la signature d'un véritable supraconducteur, qui le sépare d'un hypothétique métal parfait à résistance nulle, " a déclaré Rouslan Prozorov, un physicien du laboratoire Ames qui est un expert en supraconductivité et magnétisme à basse température. "C'est bien dans les manuels et en principe, mais dans les vrais matériaux supraconducteurs, l'effet Meissner est assez compliqué. Le filtrage robuste d'un champ magnétique par un échantillon supraconducteur et l'expulsion de Meissner lors du refroidissement dans un champ magnétique peuvent être confondus. Cet effet est en fait très faible et fragile et difficile à observer."

Jusqu'à maintenant, les physiciens ont pu observer l'effet Meissner, mais n'ont pas pu visualiser sa distribution spatiale dans le matériau et comment cela pourrait varier entre les différents composés supraconducteurs. Il est désormais possible de cartographier les caractéristiques uniques et distinctives de l'effet Meissner, en utilisant un magnétoscope très sensible qui tire parti de l'état quantique d'un type particulier de défaut atomique, appelés centres de vacance d'azote (NV), en diamant.

Alors que la science derrière l'utilisation des centres NV comme capteurs est connue, les scientifiques du laboratoire Ames voulaient savoir si la technologie pouvait être exploitée pour sonder les champs magnétiques avec une sensibilité sans précédent et une bonne résolution spatiale et l'appliquer à l'étude de divers matériaux magnétiques et supraconducteurs.

« Cette technique, qui est peu invasif et extrêmement sensible, est mis en œuvre dans un dispositif optique qui fonctionne avec succès lorsque les échantillons sont à basse température (4 degrés au-dessus du zéro absolu), ce qui est nécessaire pour l'exploration des matériaux quantiques. Ce n'était pas une entreprise anodine, " a déclaré Prozorov.

Membre du groupe de Prozorov, Le scientifique du laboratoire Ames Naufer Nusran, conduit le développement de ce dispositif unique, et les travaux actuels utilisaient un film de diamant avec des centres NV implantés juste sous la surface pour mesurer la variation à plus grande échelle des champs magnétiques. Il s'agit du premier article scientifique publié mesurant la distribution spatiale de l'effet Meissner à l'aide d'un magnétoscope NV, prouver que la technique fonctionne et est prête à être déployée pour étudier des problèmes encore plus complexes.

Nusran s'est également associé au Center for Nanoscale Materials, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Laboratoire national d'Argonne, concevoir et fabriquer les piliers nanométriques du diamant, chacun avec un seul centre NV, pour la construction du magnétoscope, qui a duré trois ans. Déploiement de ces capteurs, maintenant logé dans l'installation d'instrumentation sensible à ultra-faible bruit (SIF) du laboratoire Ames, est la prochaine étape de la recherche pour le groupe Prozorov dans le nouveau laboratoire.

Cela a déjà entraîné de grosses surprises.

supraconducteurs à base de fer, considéré comme l'un des plus robustes, n'a montré pratiquement aucun de cet effet Meissner « caractéristique ».

"C'est un gros casse-tête et nous n'avons aucune explication, " a déclaré Prozorov. " Ce sera une nouvelle voie passionnante dans la recherche pour comprendre pourquoi cela se produit. "

La recherche est discutée plus en détail dans le document, "Étude résolue spatialement de l'effet Meissner dans les supraconducteurs à l'aide de la magnétométrie optique NV-centers-in-diamant, " rédigé par N.M. Nusran, K.R. Joshi, K Cho, M.A. Tanatar, W.R. Meier, S. L. Bud'ko, PC Canfield, Y. Liu, T.A. Lograsso, et R. Prozorov; et publié dans le Nouveau Journal de Physique .