Norsk superledersuksess

Elektroner i bevegelse gir alltid opphav til magnetfelt, som nærmest følger elektronene som en skygge. Professor Tom H. Johansen og hans gruppe ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo var en av de første i verden som tok i bruk magneto-optisk avbildning for å studere magnetfelt i superledere.

– Vi avbilder magnetfeltet direkte, og kan deretter regne oss tilbake til hvor strømmen går, forklarer Johansen. Superledere kan lede elektrisitet uten energitap, og de er perfekt diamagnetiske slik at magnetfelt stenges ute.

Enkelt

– Prinsippet for å avbilde magnetfelt er enkelt, men det er nødvendig å ha riktige materialer, opplyser Johansen.

Metoden utnytter det faktum at bestemte krystaller reagerer på magnetfelt ved å forandre polarisasjonsretningen på polarisert lys som sendes gjennom krystallen. Dreiningen av polarisasjonen er direkte proporsjonal med magnetfeltet lokalt. Denne effekten kalles Faraday-rotasjon, og krystallene er Faraday-aktive.

Johansens gruppe bruker en yttrium-jern-granat med tilsetninger av bismut og lutetium. Selve krystallen er bare 0.005 mm tykk og er grodd på et gjennomsiktig substrat. Den legges direkte på prøven som skal undersøkes. Polarisert lys sendes gjennom krystallen og blir Faraday-rotert av magnetfeltet fra prøven. Så reflekteres det tilbake, og optikken sørger for at bare rotert lys når fram til CCD-kameraet.

– Kontrasten vi får i bildet, representerer direkte magnetfeltet lokalt i prøvene vi undersøker, forklarer Johansen.

Defekter

Egenskapene til superledere undersøkes ved å variere magnetfelt og temperatur. Superledende egenskaper opptrer bare ved lave temperaturer, så en prøveholder med flytende helium sørger for at prøven blir kald nok. Det magneto-optiske (MO) avbildingssystemet kan måle ved temperaturer helt ned til -268°C, og kan se små detaljer.

– Vi kan se magnetiske detaljer mindre enn én mikrometer i utstrekning, opplyser Johansen. Slik er det mulig å studere små defekter som begrenser superlederes egenskaper. Som eksempel viser han et MO-bilde av en strømførende ledning laget av BiSrCaCuO. Teknikken avslører en finstruktur av små korn i materialet.

Først i verden

Superledere i form av perfekte krystaller er i praksis ubrukelige. Fordi superlederen ikke ønsker noe magnetfelt i seg, setter den opp tornadoer av skjermingsstrømmer rundt de magnetiske feltlinjene som har klart å trenge inn i materialet. Mengden av magnetfelt som knytter seg til disse tornadoene, er kvantisert – det er magnettråder som alle er helt like.

– Poenget er å hindre dem i å bevege seg. Hvis de gjør det, skaper dette et elektrisk felt som gir energitap, påpeker Johansen.

Derfor introduseres defekter hvor flukstrådene kan henge seg fast. Dr. Masato Murakami og hans gruppe ved japanske Superconductivity Research Laboratory, Istec, har vært pioner i å utvikle materialer med sterk flukshekting. De beste materialene består i dag av inntil 40 prosent fremmedpartikler som ikke er superledende, men låser fast flukstråder. De kvantiserte flukstrådene beveger seg ved å hoppe mellom hektesentere.

– Vi har observert dette kvantefenomenet med magneto-optisk avbildning. Dette er vi de første i verden som har fått til, opplyser Johansen.