Учёные научились исследовать сверхпроводники с помощью электрических импульсов длительностью всего несколько пикосекунд. Такой подход позволяет приблизиться к фундаментальному пределу тока, при котором начинают разрушаться пары электронов, не дожидаясь преждевременного отказа материала из-за движения вихрей и нагрева.
Сверхпроводимость возникает при охлаждении некоторых материалов ниже определённой температуры: их электрическое сопротивление исчезает, а ток проходит без потерь энергии в виде тепла. Это свойство связано с образованием куперовских пар — согласованно движущихся пар электронов. Благодаря ему сверхпроводники рассматриваются для применения в мощных магнитах, высокочувствительных детекторах и квантовых схемах.
Обычно измеряемый критический ток сверхпроводника второго рода ограничен не разрушением самого квантового состояния, а перемещением вихрей — небольших областей, через которые проходит магнитный поток. При усилении тока вихри начинают двигаться, создают сопротивление и выделяют тепло. Однако у сверхпроводника есть более высокий предел, называемый током распаривания: при его достижении куперовские пары начинают распадаться. «Один из способов представить это состоит в том, что ток “закручивает” фазу согласованного квантового состояния сверхпроводника, подобно тому как закручивается пружина», — объяснил ведущий автор исследования Эрин Ван.
Чтобы опередить движение вихрей, исследователи применили сверхкороткие импульсы. Вихри способны перемещаться со скоростью десятки километров в секунду, но за пикосекунду проходят лишь десятки нанометров. Поэтому ток можно на короткое время увеличить до очень высокой плотности, пока вихри ещё не успели заметно сместиться или вызвать нагрев. «Наша стратегия заключалась в том, чтобы опередить динамику вихрей», — сказал Эрин Ван.
Для эксперимента использовали разработанную в MPSD сверхбыструю платформу электрического транспорта. Фотопроводящие переключатели запускались зелёными лазерными импульсами длительностью 300 фемтосекунд и длиной волны 515 нанометров, после чего формировали электрические импульсы продолжительностью несколько пикосекунд. Они проходили по копланарному волноводу и подавались на образцы сверхпроводников размером всего несколько микрометров. «Чтобы подавать ток к сверхпроводникам всего на несколько пикосекунд, мы использовали сверхбыструю платформу электрического транспорта, которую разрабатываем в нашем институте», — рассказал соавтор работы Гвидо Майер.
Учёные сравнили нитрид ниобия NbN и купрат YBCO, поскольку их сверхпроводящие энергетические щели имеют разную структуру. NbN сохранял сверхпроводимость до чётко выраженного порога, значительно превышавшего обычный критический ток постоянного тока, а затем резко менял отклик, что указывало на распад куперовских пар. YBCO, напротив, ослабевал постепенно по мере роста тока: его энергетическая щель зависит от направления и полностью исчезает в некоторых направлениях. «Наши результаты показывают, что транспорт с пикосекундными импульсами может открыть доступ к микроскопическим свойствам сверхпроводников, включая симметрию их щели, которые невозможно напрямую получить при обычных измерениях постоянного тока», — заявил руководитель исследовательской группы Андреа Кавальери. Работа, о которой сообщает ScienceDaily, указывает на возможное применение такого режима сверхвысоких токов в оптоэлектронике и магнитных устройствах.