Физики из Израиля, США, Бельгии и Украины нашли самые быстрые объекты на Земле, не считая фотонов и других субатомные частицы. Ими оказались вихри Абрикосова в тонкой сверхпроводящей пленке из свинца. Характерные скорости вихрей, по словам ученых, достигают 20 километров в секунду при температурах порядка 7 кельвинов. В теории, в других материалах (купратах и других керамиках) этот параметр может достигать 360 километров в секунду. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Сверхпроводники — материалы, сопротивление которых резко падает до нуля при охлаждении до температур ниже некоторой критической отметки. Помимо нулевого сопротивления они способны выталкивать из себя магнитное поле, это явление называется эффектом Мейснера. За счет этого сверхпроводники могут левитировать над магнитами. Но если магнитное поле оказывается слишком сильным, то сверхпроводники начинают пропускать в себя его линии. Некоторые из них остаются в сверхпроводящем состоянии — их относят к сверхпроводникам второго рода, в других эффект быстро пропадает — первого рода. В материалах второго рода в каждой точке, где через сверхпроводник проникает магнитное поле, проходит ровно один квант магнитного потока. Вокруг его нити возникает вихрь сверхпроводящего тока — он и называется абрикосовским вихрем.

Авторы новой работы исследовали движение сверхбыстрых вихрей Абрикосова с помощью прибора SQUID-on-tip, наноразмерного сканирующего СКВИДа (сверхпроводящего квантового интерферометра). Вихри начинают перемещаться при наличии тока в сверхпроводнике, это перемещение плохо описано теоретически. Медленные вихри уже наблюдались научными группами, поэтому физики рассмотрели поведение этих объектов в экстремальных условиях.

Ученые исследовали поведение вихрей Абрикосова в тонкой пленке свинца, охлажденной до 7,2 кельвина (близко к температуре сверхпроводящего перехода). В ней создавали ток близкий к критическому (при котором исчезает сверхпроводимость) и включали магнитное поле. Возникало переходное состояние между сверхпроводящим и несверхпроводящим материалом. Именно в нем физики исследовали сверхбыструю динамику вихрей.

Наноразмерный СКВИД (представляет собой сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским контактом) был помещен на конце иглы сканирующего зондового микроскопа. С его помощью ученые исследовали магнитное поле над образцом. По сути, он позволял получить «фотографию» вихрей Абрикосова. Первые снимки выглядели «смазанными» — из-за большой скорости движения вихрей. По оценкам ученых, она достигала 10-20 километров в секунду. Это гораздо выше, чем скорость звука в свинце, а также это на два порядка превышает максимальную скорость движения куперовских пар в свинце (эти объекты ответственны за сверхпроводящие свойства).

Самые быстрый рукотворный объект — аппарат «Вояджер-1». На данный момент его скорость относительно Солнца составляет около 17 километров в секунду. Безусловно, гораздо быстрее вихрей окажутся кванты света (примерно 300 тысяч километров в секунду) или, например, скорость протонов в Большом адронном коллайдере.

Помимо фундаментальных исследований, вихри Абрикосова интересны и с прикладной точки зрения. К примеру, их называют одним из кандидатов на роль кубитов. А два года назад шведские физики разработали память на вихрях Абрикосова — она требует в несколько тысяч раз меньше энергии для записи и чтения, чем традиционная оперативная память DRAM.

Вихри получили свое название в честь известного американского физика российского происхождения — Алексея Абрикосова. За свой вклад за разработку теории сверхпроводимости и сверхтекучести ученый был удостоен Нобелевской премии.