Только что был побит предел сверхпроводимости, считавшийся непреодолимым

Сверхпроводники способны проводить электричество без сопротивления и потерь энергии. Благодаря этому свойству они используются в поездах на магнитной подушке, мощных ускорителях частиц и медицинских томографах. Однако у таких материалов есть серьёзное ограничение: слишком сильный электрический ток способен мгновенно лишить их уникальных свойств. Теперь физики нашли способ преодолеть привычный предел и впервые подробно исследовать процессы, которые происходят непосредственно перед разрушением сверхпроводимости.

Открытие описано в журнале Nature Physics. Международная группа исследователей под руководством Эрина Вана из Института структуры и динамики материи Общества Макса Планка в Гамбурге разработала экспериментальную установку, способную создавать невероятно короткие электрические импульсы. Их продолжительность составляет всего несколько триллионных долей секунды. Этого оказалось достаточно, чтобы обойти квантовые процессы, обычно мешающие изучать фундаментальные ограничения сверхпроводников.

Чтобы понять значение открытия, необходимо разобраться, почему сверхпроводимость вообще исчезает. В обычных условиях электрический ток сталкивается с сопротивлением материала, из-за чего часть энергии превращается в тепло. В сверхпроводнике электроны образуют особые связанные состояния — куперовские пары. Именно благодаря им электрический ток может течь без сопротивления.

Но сверхпроводящее состояние чрезвычайно хрупкое. Большинство таких материалов приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю. Кроме того, достаточно сильное магнитное поле или чрезмерный электрический ток могут разрушить сверхпроводимость.

При этом существует фундаментальный предел, связанный непосредственно с распадом куперовских пар. Когда ток становится слишком сильным, эти пары разрушаются, и материал перестаёт быть сверхпроводником. Однако измерить такой предел обычными методами крайне сложно: другие квантовые процессы нарушают сверхпроводимость гораздо раньше.

Особенно заметна эта проблема у сверхпроводников второго рода. В отличие от материалов первого рода, которые обычно представляют собой чистые металлы и теряют сверхпроводимость уже при сравнительно слабых магнитных полях, они способны выдерживать значительно более сильное магнитное воздействие.

Секрет заключается в том, что магнитное поле проникает внутрь таких материалов в виде крошечных квантовых вихрей. Они позволяют сохранять сверхпроводимость даже в условиях, при которых сверхпроводники первого рода уже перестали бы работать.

Однако у этого механизма есть обратная сторона. Когда электрический ток становится достаточно сильным, квантовые вихри начинают двигаться. Их движение вызывает сопротивление и выделение тепла, в результате чего сверхпроводимость исчезает ещё до того, как ток достигнет предела, необходимого для разрушения куперовских пар.

Именно это препятствие исследователи решили обойти.

«Наша стратегия заключалась в том, чтобы опередить динамику вихрей», — объяснил руководитель исследования Эрин Ван.

Для этого учёные создали необычную оптико-электрическую систему. Сначала установка генерировала импульсы зелёного лазерного света продолжительностью всего 300 фемтосекунд. Одна фемтосекунда равна одной квадриллионной доле секунды.

Затем специальный переключатель преобразовывал световые импульсы в электрические продолжительностью несколько пикосекунд. Пикосекунда составляет одну триллионную долю секунды.

Такие импульсы оказались настолько быстрыми, что квантовые вихри просто не успевали прийти в движение и вызвать сопротивление. Хотя скорость их перемещения может достигать десятков километров в секунду, новая установка позволила опередить связанные с ними процессы на несколько порядков.

Благодаря этому физики смогли пропускать через сверхпроводники ток значительно большей силы, чем допускают привычные измерения с использованием постоянного тока. При этом они получили возможность наблюдать более глубокий механизм разрушения сверхпроводимости — распад куперовских пар.

Для проверки метода исследователи выбрали два принципиально разных материала: нитрид ниобия и высокотемпературный сверхпроводник из семейства оксидов иттрия, бария и меди.

Разница между ними заключается в симметрии энергетической щели — характеристике, определяющей, сколько энергии требуется для разрушения куперовских пар в разных направлениях.

Нитрид ниобия обладает так называемой s-волновой симметрией. Это означает, что энергия, необходимая для разрушения электронных пар, одинакова во всех направлениях пространства импульсов.

У второго материала симметрия d-волновая. В этом случае величина энергетической щели зависит от направления, а в некоторых направлениях вообще обращается в ноль.

Эксперимент показал, что эта фундаментальная разница непосредственно влияет на поведение сверхпроводников при воздействии мощных электрических импульсов.

Нитрид ниобия сохранял сверхпроводимость даже при очень сильном токе, значительно превышавшем обычный предел для постоянного тока. Но как только сила тока достигала определённого порога, куперовские пары разрушались, а сверхпроводимость исчезала практически мгновенно.

Совершенно иначе вёл себя сверхпроводник на основе оксидов иттрия, бария и меди. Вместо резкого перехода он демонстрировал постепенное ослабление сверхпроводимости по мере увеличения тока.

Таким образом, учёные не просто смогли превысить привычные ограничения, но и обнаружили прямую связь между характером разрушения сверхпроводимости и внутренней квантовой структурой материала.

«Наши результаты показывают, что измерения с использованием пикосекундных импульсов позволяют исследовать микроскопические свойства сверхпроводников, включая симметрию энергетической щели, которые невозможно непосредственно определить обычными измерениями с постоянным током», — отметил Андреа Каваллери, руководитель группы динамики конденсированного вещества в Институте структуры и динамики материи.

Главное достижение заключается в том, что исследователи смогли отделить фундаментальное разрушение куперовских пар от побочных процессов, обычно возникающих раньше. Это позволило приблизиться к пониманию самой основы сверхпроводимости, а не только внешних факторов, которые ограничивают её устойчивость.

Предложенная методика открывает возможность исследовать самые разные сверхпроводящие материалы в чрезвычайно коротких временных масштабах. С её помощью можно определять особенности энергетической щели и выяснять, как именно материалы реагируют на электрический ток до возникновения обычных механизмов сопротивления.

Профессор физики Центрального Южного университета Цзяньцяо Мэн, не участвовавший в исследовании, подчеркнул, что сверхбыстрые электрические импульсы могут стать новым мощным инструментом для изучения внутренних свойств сверхпроводников.

По существу, физики нашли способ увидеть то, что раньше оставалось скрытым за более быстрым разрушением сверхпроводящего состояния. Для этого им потребовалось не замедлить квантовые процессы, а создать электрический импульс, который успевает завершиться раньше, чем эти процессы проявят себя.