Сверхпроводники относятся к числу самых удивительных материалов квантовой физики. При охлаждении ниже определённой температуры перехода их электрическое сопротивление исчезает. Ток может течь через них без потерь энергии в виде тепла.
Такой эффект возникает потому, что электроны образуют коррелированные пары, называемые куперовскими. Вместо независимого движения эти пары ведут себя коллективно, подобно волне, распространяющейся по материалу. Это свойство делает сверхпроводники перспективными для мощных магнитов, высокочувствительных детекторов и квантовых схем.
Однако сверхпроводимость не выдерживает неограниченного тока. Когда ток становится слишком большим, сверхпроводящее состояние начинает разрушаться. Критический ток материала описывает максимальную силу тока, которую он может нести до появления сопротивления и потерь энергии.
В сверхпроводниках второго типа измеряемый в экспериментах критический ток часто не отражает истинный микроскопический предел самой сверхпроводимости. Обычно разрушение запускается движением вихрей — крошечных областей, через которые магнитный поток проникает в материал. С ростом тока эти вихри начинают перемещаться, создавая электрическое сопротивление и выделяя тепло, что в итоге может уничтожить сверхпроводящее состояние. У сверхпроводников существует более высокий фундаментальный предел, известный как ток распаривания. «Это можно представить так, что ток „закручивает“ фазу когерентного квантового состояния сверхпроводника, словно наматывая пружину», — поясняет Эрин Ван, ведущий автор исследования.
Если квантовое состояние закручено слишком сильно, оно становится нестабильным. В этот момент куперовские пары, отвечающие за сверхпроводимость, начинают распадаться. Обычные измерения переноса на постоянном токе (DC) редко достигают этого внутреннего предела, поскольку движущиеся вихри и нагрев обычно разрушают сверхпроводимость раньше. Исследователи нашли способ обойти эту проблему, подавая чрезвычайно короткие импульсы электрического тока. «Наша стратегия состояла в том, чтобы обогнать динамику вихрей», — говорит Эрин Ван. Вихри могут двигаться со скоростью десятков километров в секунду, но за пикосекунду они смещаются лишь на десятки нанометров. Подавая ток на предельно короткое время, можно довести плотность тока до очень высоких значений прежде, чем вихри успеют заметно сместиться или нагреть материал. Это резко снижает потери энергии от движения вихрей и позволяет приблизить сверхпроводящее состояние к его фундаментальному пределу по току.
Для создания таких исключительно коротких токов команда использовала платформу ультрабыстрого электрического переноса, разработанную в MPSD. «Чтобы подавать ток к сверхпроводникам всего на несколько пикосекунд, мы использовали платформу ультрабыстрого электрического переноса, которую разрабатываем в нашем институте», — говорит Гвидо Майер, соавтор исследования. Система применяет фотопроводящие переключатели, запускаемые зелёными лазерными импульсами длительностью 300 фемтосекунд с длиной волны 515 нанометров. После срабатывания переключатели генерируют электрические импульсы длительностью всего несколько пикосекунд. Эти импульсы распространяются по копланарному волноводу, а затем проходят через сверхпроводящие образцы размером всего в несколько микрометров.
Исследователи протестировали два материала, NbN и YBCO, поскольку они представляют принципиально разные формы сверхпроводимости. NbN имеет относительно однородную сверхпроводящую энергетическую щель (s-волна), тогда как у YBCO щель сильно меняется в зависимости от направления (d-волна). Изучение обоих материалов позволило выяснить, как микроскопическая структура сверхпроводящего состояния влияет на поведение при подаче чрезвычайно сильных ультрабыстрых токов. NbN оставался сильно сверхпроводящим до достижения чёткого порога, который был гораздо выше его обычного критического тока на постоянном токе. После превышения этого порога отклик материала резко менялся, что сигнализировало о начале распада куперовских пар. YBCO вёл себя иначе: вместо стабильности с последующим резким срывом его сверхпроводящее состояние постепенно ослабевало по мере роста тока. Исследователи связывают это различие с разной внутренней структурой двух материалов. В NbN сверхпроводящая энергетическая щель почти одинакова во всех направлениях. В YBCO же щель значительно варьируется по направлению и полностью исчезает вдоль некоторых направлений. Такая структура позволяет сверхпроводимости в YBCO ослабевать постепенно, а не разрушаться при одном резко выраженном пороге.
«Наши результаты показывают, что пикосекундный перенос может дать доступ к микроскопическим свойствам сверхпроводников, включая симметрию их щели, которые напрямую недоступны при обычном переносе на постоянном токе», — говорит Андреа Каваллери, руководитель исследовательской группы. Учёным предстоит изучить более широкий круг сверхпроводящих материалов, чтобы определить, насколько широко применима эта взаимосвязь. В целом результаты демонстрируют, что предельно короткие электрические импульсы способны выявить формы сверхпроводящего переноса, обычно скрытые более медленными эффектами, такими как движение вихрей и нагрев. Работая на временных масштабах, сопоставимых с масштабами самого сверхпроводящего состояния, учёные могут получить новые способы исследования и управления этими квантовыми материалами. Этот новый доступный режим сверхпроводимости при сверхвысоких токах может также иметь значение для оптоэлектроники и, возможно, для магнитных устройств.