Проте надпровідність не витримує безмежно великого струму. За певного значення опір знову з’являється, і надпровідний стан руйнується. Струм, при якому це відбувається в реальних експериментах, називають критичним.

Чому надпровідники зазвичай «ламаються» завчасно

Для надпровідників другого типу виміряний критичний струм часто не відображає справжньої мікроскопічної межі самої надпровідності. Здебільшого цю межу занижують магнітні вортекси — крихітні області, через які магнітний потік проникає в матеріал.

Коли струм зростає, вортекси починають рухатися. Їхній рух супроводжується появою опору й виділенням тепла. Це може зруйнувати надпровідний стан раніше, ніж матеріал досягне своєї глибинної, внутрішньої межі.

Цю вищу межу називають струмом розпарювання (depairing current). За словами провідного автора роботи Еріна Вана (Eryin Wang), струм можна уявити як «закручування» фази когерентного квантового стану надпровідника, подібно до того, як ми намотуємо пружину. Якщо закрутити надто сильно, стан стає нестійким, і куперівські пари починають розпадатися.

Класичні вимірювання з постійним струмом (DC) майже не дають змоги безпосередньо дістатися до цієї межі: раніше спрацьовують рух вортексів і нагрів зразка.

Як «обігнати» вортекси за допомогою піко секунд

Дослідники вирішили обійти цю проблему, зробивши імпульси струму надзвичайно короткими. Як пояснює Ерін Ван, їхня стратегія полягала в тому, щоб «обігнати динаміку вортексів».

Вортекси рухаються зі швидкостями десятки кілометрів за секунду, що виглядає дуже швидко. Однак за одну пікосекунду вони встигають зміститися лише на десятки нанометрів. Якщо подати струм лише на такий короткий час, можна досягти дуже високих густин струму до того, як вортекси суттєво зрушать з місця або встигнуть нагріти зразок.

Цей підхід різко зменшує втрати енергії, пов’язані з рухом вортексів, і дає змогу підвести надпровідний стан значно ближче до його внутрішнього граничного струму.

Ультракороткі імпульси за допомогою фотопровідних ключів

Щоб створити такі надшвидкі сплески струму, команда використала ультра швидку платформу електричного транспорту, розроблену в інституті MPSD. За словами співавтора дослідження Ґвідо Меєра (Guido Meier), для подачі струму всього на кілька пікосекунд вони задіяли спеціальні фотопровідні перемикачі.

Ці перемикачі запускалися зеленими лазерними імпульсами тривалістю близько 300 фемтосекунд із довжиною хвилі 515 нанометрів. Після спрацьовування ключі генерували електричні імпульси всього на кілька пікосекунд.

Далі імпульси проходили по копланарній хвилевідній лінії і спрямовувалися через надпровідні зразки мікрометрового розміру. Таким чином дослідники могли дуже точно контролювати як тривалість, так і силу струму.

Два надпровідники — дві різні межі руйнування

Щоб перевірити метод, вчені дослідили два матеріали з принципово різними структурами надпровідного стану: NbN і YBCO. У NbN надпровідна енергетична щілина практично однакова в усіх напрямках (s-хвильовий тип), тоді як у YBCO вона сильно залежить від напрямку (d-хвильовий тип) і спадає до нуля вздовж окремих напрямків у кристалі.

Порівняння цих матеріалів дало змогу з’ясувати, як мікроскопічні відмінності структури надпровідності впливають на поведінку при надсильних, надшвидких струмах.

Для NbN виявилося, що матеріал зберігає надпровідний стан до чіткого порогового струму, який значно перевищує його звичайний DC-критичний струм. Після перетину цього порогу електрична відповідь різко змінювалася, що є ознакою початку руйнування куперівських пар.

YBCO поводився інакше. Замість того щоб бути стійким до певної межі й потім раптово «обвалитися», його надпровідний стан поступово слабшав із ростом струму. Дослідники пов’язують це саме з анізотропною, напрямкозалежною структурою енергетичної щілини: в окремих напрямках надпровідність може послаблюватися раніше, що й призводить до плавного замість різкого руйнування.

Новий інструмент для вивчення квантових станів

Керівник групи Андреа Каваллері (Andrea Cavalleri) зазначає, що результати свідчать: пікосекундні транспортні вимірювання можуть відкрити доступ до мікроскопічних властивостей надпровідників, зокрема до симетрії щілини, які не видно в звичайних DC-експериментах.

Водночас вчені наголошують, що потрібно перевірити ще більше надпровідних матеріалів, перш ніж робити загальні висновки про універсальність виявлених закономірностей.

Попри це, робота демонструє, що ультракороткі електричні імпульси здатні виявити режими надпровідної поведінки, недоступні традиційним підходам. Діючи швидше, ніж встигають спрацювати вортекси та нагрів, метод дозволяє досліджувати надпровідники на часових масштабах, ближчих до їхньої природної квантової динаміки.

У перспективі це може стати новим інструментом для керування надпровідними станами та доступу до режимів надвисоких струмів, а згодом — матиме значення для оптоелектроніки й, можливо, магнітних пристроїв.

Піко секундні імпульси виявили приховану межу надпровідності з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com