Dalla tessitura alla nanotecnologia con fasci di ioni

Dall'arte giapponese di tessitura di cestini alla nanotecnologia con fasci di ioni. Matrici Ultradense di quanti magnetici nei superconduttori ad alta temperatura

Le proprietà dei superconduttori ad alta temperatura possono essere adattate dall'introduzione di difetti artificiali. Un team di ricerca internazionale, con la collaborazione del fisico Wolfgang Lang (1) dell'Università di Vienna è riuscito a produrre dei nano array complessi, più densi del mondo, per l'ancoraggio dei quanti di flusso, i fluxons.

Ciò è stato ottenuto irradiando il superconduttore con un microscopio a ioni di elio presso l'Università di Tubinga, una tecnologia che è diventata solo di recente disponibile. Gli scienziati si sono ispirati da una tradizionale arte giapponese di tessitura del cestino. I risultati sono stati recentemente pubblicati su ACS Applied Nanomaterials, una rivista della rinomata “American Chemical Society”. (2)

I superconduttori possono trasportare elettricità senza perdite se vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica. Tuttavia, i superconduttori puri non sono adatti per la maggior parte delle applicazioni tecniche, ma solo dopo l'introduzione controllata dei difetti. Principalmente, questi sono distribuiti casualmente, ma oggigiorno la disposizione periodica su misura di tali difetti diventa sempre più importante.

Trappole e gabbie per oggetti quantici magnetici nei superconduttori

Un campo magnetico in un superconduttore può penetrare solo in porzioni quantizzate, i cosiddetti flussi. Se la superconduttività viene distrutta in regioni molto piccole, i fluxons sono ancorati esattamente in questi punti. Con matrici periodiche di tali difetti, possono essere generati “cristalli di fluxons” bidimensionali, che sono un sistema modello per molte ricerche interessanti. I difetti servono come trappole per i flussi e variando parametri facilmente accessibili si possono investigare numerosi effetti.

“Tuttavia, è necessario realizzare disposizioni di difetti molto densi in modo che i fluxons possano interagire tra loro, idealmente a distanze inferiori a 100 nanometri, valore che è mille volte più piccolo del diametro di un capello”, spiega il dottor Bernd Aichner (3) dell'Università di Vienna.

Particolarmente interessanti per i ricercatori sono le complesse disposizioni periodiche, come il quasi-kagomé defect pattern esaminato nel presente studio, che è stato ispirato da una tradizionale arte giapponese di tessitura del cestino. Le strisce di bambù del modello kagomé sono sostituite da una catena di difetti con spaziature di 70 nanometri. La particolarità di questa nanostruttura artificiale è che non è possibile ancorare solo un flusso per difetto, ma si formano catene di flussi approssimativamente circolari, che a loro volta tengono un flusso ancora libero intrappolato in mezzo a loro. Tali gabbie di fluxon si basano sulla reciproca repulsione dei fluxons e possono essere aperte o bloccate modificando il campo magnetico esterno. Sono quindi considerati un concetto promettente per la realizzazione di circuiti superconduttori a bassa perdita e con flussi veloci.

Nanostrutturazione di superconduttori ad alta temperatura con microscopio agli ioni di elio

Questa ricerca si è concretizzata grazie a un nuovo dispositivo dell'Università di Tubinga: il microscopio a ioni di elio (helium-ion microscope). Sebbene abbia un principio operativo simile al microscopio elettronico a scansione, il microscopio agli ioni di elio offre una risoluzione e una profondità di campo ineguagliate a causa della lunghezza d'onda molto più piccola degli ioni di elio.

“Con un microscopio agli ioni di elio, le proprietà superconduttive possono essere adattate senza rimuovere o distruggere il materiale, il che ci consente di produrre array di fluxons in superconduttori ad alta temperatura con una densità che non ha rivali in tutto il mondo”, sottolinea il dottor Dieter Kölle (4) dell'Università Eberhard di Karls di Tubinga.

Gli scienziati stanno ora pianificando di sviluppare ulteriormente il metodo per strutture ancora più piccole e di testare vari concetti teoricamente proposti per i fluxon circuits.

Riferimenti:

(1) Wolfgang Lang

(2) Ultradense Tailored Vortex Pinning Arrays in Superconducting YBa₂Cu₃O_7-d Thin Films Created by Focused He Ion Beam Irradiation for Fluxonics Applications

(3) Bernd Aichner

(4) Dieter Kölle

Descrizione foto: il modello tradizionale di tessitura del cestino giapponese (kago-mé: cestino con gli occhi) è stato d'ispirazione per una serie di trappole di flusso prodotte con un microscopio a ioni di elio in un superconduttore ad alta temperatura. I fluxons ancorati sono rappresentati da figure blu (basate sul simbolo Φ0 per il quantum flux), i fluxon viola sono intrappolati dai loro vicini come in una gabbia. - Credit: © Bernd Aichner, University of Vienna. - Usage Restrictions: l'immagine può essere utilizzata solo con didascalia o credito appropriati.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: From Japanese basket weaving art to nanotechnology with ion beams