Учёные смогли приблизиться к фундаментальному пределу электрического тока в сверхпроводниках с помощью импульсов длительностью всего несколько пикосекунд. Такой подход позволяет изучать разрушение сверхпроводящего состояния до того, как в материале успевают заметно переместиться вихри магнитного потока и возникнуть сильный нагрев. О результатах исследования сообщает сайт ScienceDaily.
Сверхпроводимость возникает при охлаждении некоторых материалов ниже определённой температуры перехода. Их электрическое сопротивление исчезает, поскольку электроны объединяются в связанные пары Купера и движутся согласованно. Это свойство делает сверхпроводники перспективными для мощных магнитов, высокочувствительных детекторов и квантовых схем.
Обычно измеряемый критический ток ограничен не разрушением самих пар Купера, а движением вихрей — небольших областей, через которые проходит магнитный поток. При увеличении тока вихри начинают перемещаться, вызывая сопротивление и выделение тепла. Теоретически сверхпроводник способен выдержать более высокий ток, называемый током распаривания: при его достижении квантовое состояние становится неустойчивым, а пары Купера начинают распадаться.
Чтобы достичь этого режима, исследователи решили «опередить» динамику вихрей. Хотя скорость их движения может составлять десятки километров в секунду, за одну пикосекунду они успевают пройти лишь десятки нанометров. Поэтому сверхкороткий импульс позволяет на короткое время создать очень высокую плотность тока, не давая вихрям существенно сместиться и вызвать значительные потери энергии.
Для эксперимента использовали разработанную в MPSD установку сверхбыстрого электрического транспорта. Фотопроводящие переключатели запускались зелёными лазерными импульсами длительностью 300 фемтосекунд и длиной волны 515 нанометров. Возникавшие электрические импульсы продолжались несколько пикосекунд, проходили по копланарному волноводу и поступали на образцы сверхпроводников размером всего несколько микрометров.
Команда сравнила нитрид ниобия NbN и соединение YBCO, обладающие разной структурой энергетической щели: у NbN она почти одинакова во всех направлениях и соответствует s-типу, а у YBCO сильно зависит от направления и относится к d-типу. NbN сохранял сверхпроводимость до чётко выраженного порога, значительно превышавшего обычный критический ток постоянного тока, после чего его пары Купера начали разрушаться. YBCO, напротив, терял сверхпроводящие свойства постепенно, что связано с исчезновением энергетической щели в отдельных направлениях.
«Наши результаты показывают, что транспорт на пикосекундных масштабах может открыть доступ к микроскопическим свойствам сверхпроводников, включая симметрию их энергетической щели, которые невозможно напрямую получить при обычных измерениях постоянного тока», — сказал руководитель исследовательской группы Андреа Кавальери. По словам ведущего автора работы Эрина Вана, стратегия эксперимента заключалась в том, чтобы опередить движение вихрей. Учёным ещё предстоит проверить метод на более широком круге материалов, однако уже сейчас он позволяет исследовать сверхпроводимость в режиме сверхвысоких токов, который может оказаться важным для оптоэлектроники и магнитных устройств.