Osiągnęli go wykorzystując ultrakrótkie impulsy elektryczne, które pozwoliły zajrzeć w samą istotę nadprzewodnictwa i sprawdzić, kiedy rozpadają się pary elektronów odpowiedzialne za ten niezwykły stan materii. Przypomnijmy, iż zapewnia on możliwość przewodzenia prądu elektrycznego bez oporu, a więc bez strat energii w postaci ciepła. Z tego względu są niezwykle cenne dla nowoczesnej technologii: od silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze medycznej i akceleratorach cząstek po zaawansowane układy kwantowe.
Czytaj też: Czy grawitacja powstaje z informacji kwantowej? Nowe ustalenia zaburzają rozumienie czasoprzestrzeni
Problem polega na tym, że ich wyjątkowy stan jest delikatny. Wystarczy przekroczyć określony poziom prądu, aby materiał zaczął stawiać opór i utracił nadprzewodnictwo. Naukowcy odpowiedzialni za artykuł w zamieszczony w Nature Physics postanowili skupić się na nadprzewodnikach typu II, w przypadku których istnieje zjawisko utrudniające zbadanie ich fundamentalnych właściwości. W ich wnętrzu mogą występować niewielkie wiry kwantowe, związane z przenikaniem pola magnetycznego przez materiał. Kiedy natężenie prądu rośnie, wiry zaczynają się poruszać. Ich ruch prowadzi do pojawienia się oporu i wydzielania ciepła, co może doprowadzić do utraty nadprzewodnictwa.
W praktyce oznacza to, iż materiał często przestaje przewodzić prąd bez strat, zanim naukowcy zdołają sprawdzić jego rzeczywistą, wewnętrzną granicę wytrzymałości. Chodzi o poziom, przy którym stan nadprzewodzący staje się niestabilny, a pary Coopera zaczynają się rozpadać. Te ostatnie stanowią skorelowane pary elektronów, których wspólne zachowanie umożliwia nadprzewodnictwo. Ich stabilność ma zatem fundamentalne znaczenie dla działania materiału.
Badacze postanowili wyprzedzić ruch wirów, zanim zdążą one wywołać opór. W tym celu wykorzystali impulsy elektryczne trwające zaledwie kilka pikosekund, czyli bilionowych części sekundy. Tak krótki czas pozwala zwiększyć natężenie prądu, zanim wiry zdążą przemieścić się na istotną odległość i doprowadzić do znacznego nagrzania próbki. Aby uzyskać tak szybkie impulsy, członkowie zespołu zastosowali specjalny układ transportu elektrycznego, w którym przełączniki fotoprzewodzące aktywowali zielonymi impulsami laserowymi o długości fali 515 nanometrów.
Każdy impuls światła trwał około 300 femtosekund, czyli jeszcze krócej niż pikosekunda. Układ przekształcał pobudzenie optyczne w bardzo krótki impuls prądu przepływający przez mikroskopijne próbki nadprzewodników. Naukowcy zbadali dwa materiały: azotek niobu (NbN) oraz przedstawiciela rodziny tlenków miedzi, itru i baru (YBCO). Oba są nadprzewodnikami, lecz różnią się strukturą swojej luki energetycznej, związaną z symetrią stanu nadprzewodzącego.
Czytaj też: Komputer kwantowy odtworzył zjawisko, które zmieniło sposób myślenia o polu magnetycznym
W przypadku NbN luka ma symetrię typu s i jest w przybliżeniu jednakowa we wszystkich kierunkach. W YBCO występuje natomiast symetria typu d, a luka silnie zależy od kierunku i zanika w niektórych z nich. Wyniki eksperymentu pokazały wyraźną różnicę. Azotek niobu zachowywał nadprzewodnictwo aż do osiągnięcia określonego progu prądu, po czym jego stan załamywał się gwałtownie. Stąd wniosek, że przy odpowiednio dużym obciążeniu pary Coopera zaczynają tracić stabilność. YBCO reagował inaczej. Nadprzewodnictwo słabło w nim stopniowo wraz ze wzrostem prądu, zamiast zanikać w jednym wyraźnym momencie. Badacze wiążą tę różnicę z odmienną strukturą luki energetycznej obu materiałów.
I nawet jeśli nadprzewodniki nie mogą bez ograniczeń przewodzić coraz większego prądu, to ich zachowanie można teraz badać w warunkach niedostępnych dla tradycyjnych pomiarów prądem stałym. Pozwala to lepiej poznać mechanizmy odpowiedzialne za utratę nadprzewodnictwa i sprawdzić, jak mikroskopowa budowa materiału wpływa na jego odporność. A to dla fizyków ogromna szansa na przyszłość.
Źródło: Nature Physics
