NV-центр также помог составить тепловую карту температуры сверхпроводящего перехода
Физики из Франции встроили азотную вакансию в алмазную наковальню и с помощью нее визуализировали магнитное поле, выталкиваемое из сверхпроводника на основе купрата ртути. Ученые добились микрометрового разрешения изображений и определили температуру сверхпроводящего перехода, составив тепловую карту образца. Такая методика поможет быстрее и точнее изучать потенциально сверхпроводящие материалы, отмечают авторы статьи, опубликованной в журнале Physical Review Applied.
Чтобы проверить сверхпроводимость материала, физики в первую очередь измеряют его удельное сопротивление, что вполне логично. Однако большинство кандидатов в сверхпроводники получают при экстремально высоких давлениях в сотни тысяч атмосфер, что ведет ко множественным искажениям пробного электрического сигнала в образце и снижению точности. Тогда исследователи прибегают к другому методу — наблюдению эффекта Мейснера: если материал обладает сверхпроводящими свойствами, то внешнее магнитное поле полностью вытесняется из него.
Но и с эффектом Мейснера не все так просто, поскольку при давлениях выше ста гигапаскалей магнитный сигнал зашумляется фоном, исходящим от прессовой ячейки, в которой закреплен сверхпроводник. Именно поэтому для ученых так важно фиксировать вытеснение магнитного поля с высоким пространственным разрешением.
Жан-Франсуа Рош (Jean-François Roch) из Университета Париж-Сакле совместно с коллегами из Франции зафиксировали эффект Мейснера в сверхпроводнике на основе купрата ртути (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) с помощью широкоугольной визуализации магнитного поля на основе азотной вакансии в алмазе. При этом ученые добились микрометрового разрешения и составили тепловую карту образца, определив критическую температуру с высокой точностью.
В основу исследования легло явление фотолюминесценции в азотно-замещенной вакансии в алмазе (NV-центр): спектр излучения меняется из-за расщепления частот между состояниями спинового квантового числа (+1 и -1 для NV-центра), а само расщепление в первом приближении прямо пропорционально проекции магнитного поля вдоль оси вакансии. Используя этот феномен, физики превратили алмазную наковальню в квантовый датчик – для этого они встроили в монокристалл алмаза четыре ансамбля NV-центров, распределенных между направлениями кристаллической решетки [111]. В модифицированной наковальне авторы работы закрепили кусочек купрата ртути площадью 50 квадратных микрометров и толщиной 15 микрометров, а затем сжали его до локального давления в четыре гигапаскаля.
Ученые исследовали три сценария взаимодействия магнитного поля с материалом: при температуре 90 кельвин и последующем приложении поля, при охлаждении до критической температуры в 140 кельвин с уже включенным полем и наконец с отключением магнитного поля после достижения критической температуры. Во всех трех случаях физики приложили идентичное магнитное поле с индукцией в три миллитесла, которое выровняли вдоль направления [100]. Когда эффект Мейснера отсутствовал, спектр фотолюминесценции NV-центра состоял из двух линий с высоким суммарным контрастом. Однако при вытеснении магнитного поля из объема образца спектр расщепился на четыре, шесть или восемь пиков в зависимости от того, как были ориентированы вакансии над сверхпроводником.
Помимо этого, исследователи определили критическую температуру образца и получили значение в 139,8 ± 0,7 кельвин, введя общий параметр порядка, который рассчитывался с помощью двумерной корреляции вида коэффициента корреляции Пирсона. Используя такой подход, физики также составили карту критической температуры по всей площади образца и выявили на ней артефакты, которые указали на возможный вклад неоднородностей материала.
Авторы работы отметили, что предложенная широкоугольная визуализация магнитного поля имеет большие перспективы в качестве платформы для изучения сверхпроводников высокого давления, особенно в случае супергидридов, которые состоят из множества фаз с различной стехиометрией и однородностью. Также исследователи подчеркнули, что использованный ими корреляционный анализ обеспечил быстрое определение именно температуры начала сверхпроводящего перехода, но не его ширину.
Подробнее об эффекте Мейснера и других фундаментальных характеристиках сверхпроводников можно прочесть в материале «Ниже критической температуры».
При этом без обычного звездного коллапса
Канадские физики показали, что аксионоподобная ультралегкая темная материя способна генерировать мощное ультрафиолетовое излучение для быстрого формирования сверхмассивных черных дыр. При этом такое образование может происходить напрямую из холодного газа, без обычной фазы звездообразования. Статья с описанием работы размещена в репозитории arXiv.org.