Jak doszło do tego sukcesu? Kluczem okazała się odpowiednia polaryzacja światła, dzięki której uczeni byli w stanie rozdzielić sygnały dwóch grup cząstek, których właściwości wcześniej trudno było analizować osobno. Wyciągnięte wnioski powinny mieć przełożenie na nowe możliwości w projektowaniu materiałów wykorzystywanych w energetyce, rezonansie magnetycznym czy akceleratorach cząstek.
Nadprzewodniki są tak interesujące ze względu na fakt, że mogą przewodzić prąd elektryczny bez oporu. Oznacza to brak strat energii w postaci ciepła. Ta niezwykła właściwość sprawia, że materiały te mają ogromne znaczenie dla rozwoju nowoczesnych technologii. Ich możliwości ogranicza jednak pewien problem: w silnym polu magnetycznym wewnątrz nadprzewodnika mogą powstawać mikroskopijne struktury, które wpływają na jego zachowanie i mogą prowadzić do strat energii.
Czytaj też: Kwantowe ograniczenie prędkości termalizacji. Fizycy udowadniają uniwersalne ograniczenie
Autorzy publikacji zamieszczonej w czasopiśmie Physical Review Letters wykorzystali niewidzialne dla ludzkiego oka promieniowanie terahercowe, co pozwoliło im rozróżnić dwie grupy cząstek uwięzionych wewnątrz wirów magnetycznych i osobno zbadać ich reakcje. Stało się tak, ponieważ w nadprzewodnikach poddanych działaniu pola magnetycznego mogą tworzyć się niewielkie obszary, w których nadprzewodnictwo jest osłabione. Wokół ich rdzeni krążą prądy elektryczne, podczas gdy otaczający materiał zachowuje właściwości nadprzewodzące.
Gdy takie wiry zaczynają się przemieszczać, mogą powodować rozpraszanie energii i wydzielanie ciepła. Zrozumienie ich wewnętrznej struktury jest więc istotne dla opracowania nadprzewodników działających stabilnie w wymagających warunkach. Już w 1964 roku fizycy przewidywali, że cząstki uwięzione w rdzeniach wirów powinny zajmować określone, skwantowane poziomy energii. Można je porównać do szczebli drabiny: cząstka może przechodzić między nimi, jeśli otrzyma odpowiednią porcję energii. Eksperymentalne badanie tych stanów pozostawało jednak wielkim wyzwaniem, ponieważ sygnały pochodzące od różnych grup cząstek nakładały się na siebie.
Aby uporać się z tym problemem, badacze przygotowali niezwykle cienkie warstwy nadprzewodzącego materiału zawierającego żelazo, tellur i selen. Każda z nich miała zaledwie 40 nanometrów grubości, czyli około tysiąca razy mniej niż grubość ludzkiego włosa. Próbki schłodzili do temperatury około minus 261 stopni Celsjusza i umieścili w silnym polu magnetycznym. Następnie wykorzystali promieniowanie terahercowe, należące do zakresu fal elektromagnetycznych niewidocznych dla człowieka.
Kluczowe znaczenie miała polaryzacja światła. Autorzy eksperymentu zmieniali sposób, w jaki obraca się jego pole elektryczne, uzyskując dwa przeciwne kierunki polaryzacji kołowej. Okazało się, że jedna grupa cząstek reagowała na światło o polaryzacji lewoskrętnej, a druga na prawoskrętną. Dzięki temu można było analizować ich sygnały oddzielnie. Na podstawie pomiarów oraz obliczeń naukowcy oszacowali między innymi rozmiary wirów, czas reakcji cząstek na światło, ich opór wobec zmian ruchu oraz siłę pola magnetycznego potrzebną do zniszczenia nadprzewodnictwa w poszczególnych grupach.
Czytaj też: Chemicy zamknęli cenny pierwiastek w molekularnej klatce. Teraz chcą pójść o krok dalej
Zespół badawczy porównał też dwie wersje materiału różniące się zawartością selenu. Obie zaczynały wykazywać nadprzewodnictwo w niemal identycznej temperaturze, ale ich wewnętrzna struktura zachowywała się odmiennie. W jednej próbce proporcja cząstek należących do dwóch badanych grup wynosiła około cztery do jednego. W drugiej obie grupy występowały w zbliżonych liczbach. Stąd wniosek, iż sama temperatura przejścia w stan nadprzewodzący nie wystarcza, by opisać wszystkie istotne właściwości materiału.
Nowa metoda może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, jak skład chemiczny i mikroskopowa struktura nadprzewodników wpływają na ich działanie w silnych polach magnetycznych. Wiedza ta jest ważna między innymi przy opracowywaniu wydajniejszych przewodów elektrycznych, magnesów stosowanych w aparatach MRI oraz urządzeniach wykorzystywanych w fizyce cząstek. Być może nie od razu powstaną nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej. Nie jest też powiedziane, że zapomnimy o stratach energii w sieciach elektrycznych. Fizycy wykonali natomiast ogromny krok w stronę dalszych postępów.
Źródło: Physical Review Letters
