1442
Інтенсивні спалахи світла можуть тимчасово перетворювати електронний спектр купратного надпровідника на основі вісмуту з симетричного надпровідного стану на асиметричний псевдощілинний. Про це повідомляє експериментальне дослідження, опубліковане в Nature Physics і описане на ресурсі Scienmag.
Робота показує, що псевдощілинний стан, який з’являється під дією світла, конкурує з надпровідністю, а не є просто її «попередником». При цьому він виникає за електронних температур, значно нижчих за рівноважну критичну температуру матеріалу, тож не зводиться до звичайного нагрівання.
Як світло змінює електронний стан купратів
Дослідники вивчали оптимально легований купрат на основі вісмуту — представника високотемпературних надпровідників, де надпровідність співіснує й змагається з іншими квантовими фазами, зокрема з псевдощілиною та незвичайним, нефермівським транспортом.
Для цього команда застосувала часо- та кутово-роздільну фотоемісійну спектроскопію. Цей метод дає змогу простежити, як змінюється густина електронних станів після збудження зразка світлом і як система згодом відновлюється.
Особливу увагу приділили так званій поблизько-антинодальній ділянці поверхні Фермі — області в просторі імпульсів, де електронні властивості купратів особливо чутливі до псевдощілини. Саме там вдалося розрізнити симетричний спектр, характерний для надпровідного стану, та асиметричний спектр, пов’язаний із псевдощілиною.
До опромінення низькоенергетичний спектральний відгук відповідав надпровідності з частинково-дірковою симетрією. Після достатньо сильного лазерного імпульсу надпровідність руйнувалася, і спектр набував асиметричної, псевдощілинної форми.
Співіснування та перехід між двома квантовими фазами
На проміжних часових масштабах або за середніх значень енергії імпульсу (флюенсу) вчені спостерігали спектри, де одночасно були присутні ознаки і псевдощілини, і надпровідності. Це дало змогу простежити плавний перехід між двома станами, а не розглядати його як миттєве перемикання.
Асиметричний світлоіндукований стан зберігався, поки електронна система залишалася дуже «холодною». Коли ж спектр повертався до частинково-діркової симетрії, надпровідність відновлювалася, а псевдощілинний сигнал зникав.
Таким чином, вимірювання безпосередньо пов’язали зникнення та повторну появу одного електронного стану з появою та зникненням іншого під час короткочасної динамічної відповіді матеріалу.
Нетеплова природа світлоіндукованої псевдощілини
Автори окремо перевірили, чи можна пояснити зміну спектра лише нагріванням. Для цього вони відстежували миттєву електронну температуру за допомогою картування поверхні Фермі.
Аналіз показав, що світлоіндукована псевдощілина має нетермічний характер. Асиметричний спектр з’являвся за електронних температур, які суттєво нижчі за рівноважну критичну температуру надпровідника, тобто поза діапазоном, де прості теплові ефекти могли б повністю пояснити псевдощілинну відповідь.
У підписах до ілюстрацій дослідження окремо виділено два ключові елементи аналізу: відстеження миттєвої електронної температури та демонстрацію нетеплової природи світлоіндукованого стану.
Що це означає для розуміння купратних надпровідників
Отримані результати ставлять під сумнів уявлення, що надпровідність у купратах просто виникає внаслідок встановлення фазової когерентності в уже наявній псевдощілині. Натомість вимірювання підтримують картину динамічної конкуренції між надпровідним і псевдощілинним станами.
Автори інтерпретують дані як свідчення того, що низькотемпературний основний стан купратів формується внаслідок взаємодії цих двох фаз, а не зводиться до однієї з них.
Водночас дослідження зосереджене на конкретній поблизько-антинодальній ділянці поверхні Фермі в оптимально легованих купратах на основі вісмуту. Тому воно не показує, наскільки широко цей ефект поширюється на інші матеріали, рівні легування чи ділянки поверхні Фермі. Йдеться про короткочасний, світлом збуджений стан у певному класі купратів, а не про повну рівноважну фазову діаграму.
Світло виявило конкуренцію псевдощілини й надпровідності в купратах з’явилася спочатку на Цікавості.
