Время фотоиндуцированной сверхпроводимости увеличено в 10000 раз

Сверхпроводимость — способность материала передавать электрический ток без потерь — это эффект, который, несмотря на годы исследований, все еще ограничен очень низкими температурами.

Теперь группе ученых из MPSD удалось создать метастабильное состояние с исчезающим электрическим сопротивлением в молекулярном твердом теле, подвергая его точно настроенным импульсам интенсивного лазерного света. Этот эффект уже был продемонстрирован в 2016 году в течение очень короткого времени, но в новом исследовании авторы статьи показали гораздо более длительный срок службы, почти в 10 000 раз дольше, чем раньше.

Длительный срок службы светоиндуцированной сверхпроводимости открывает перспективы для приложений в интегрированной электронике. Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.

Сверхпроводимость — одно из самых увлекательных и загадочных явлений современной физики. Оно описывает внезапную потерю электрического сопротивления в некоторых материалах, когда они охлаждаются ниже критической температуры. Однако необходимость в таком охлаждении все еще ограничивает технологическую применимость этих материалов.

В последние годы исследование группы Андреа Каваллери в MPSD показало, что интенсивные импульсы инфракрасного света являются жизнеспособным инструментом для создания сверхпроводящих свойств в различных материалах при гораздо более высоких температурах, чем это было бы возможно без фотостимуляции.

Однако эти экзотические состояния пока сохраняются всего несколько пикосекунд (триллионных долей секунды), что ограничивает экспериментальные методы их изучения сверхбыстрой оптикой.

На этой неделе было сообщено о новаторском прогрессе. Исследователям из группы Каваллери теперь удалось увеличить время жизни такого индуцированного светом сверхпроводящего состояния более чем на четыре порядка величины в органическом сверхпроводнике K3C60, который основан на фуллеренах (молекулах «футбольного мяча», образованных 60 атомами углерода).

«Мы обнаружили долгоживущее состояние с исчезающим сопротивлением при температуре в пять раз выше, чем та, при которой возникает сверхпроводимость без фотовозбуждения», — говорит ведущий автор работы Матиас Бадден.

«Ключевым ингредиентом этого успеха была наша разработка нового типа лазерного источника, который может генерировать высокоинтенсивные световые импульсы в среднем инфракрасном диапазоне с настраиваемой продолжительностью от одной пикосекунды до одной наносекунды». Новый тип лазера основан на синхронизации мощных газовых лазеров с относительно длинными наносекундными импульсами со сверхточным ритмом гораздо более коротких импульсов твердотельного лазера.

Когда такие длинные и интенсивные импульсы инфракрасного света попадают на материал, они могут вызвать колебания молекул, искажения решетки и даже изменения электронной конфигурации.

Учитывая сложность этих процессов, неудивительно, что было предложено несколько совершенно разных теорий для описания физики сверхпроводимости, усиленной светом. Неожиданно в своей новой работе авторы обнаружили, что сверхпроводимость сохраняется в течение десятков наносекунд после фотовозбуждения.

Это значительно увеличенное время жизни сверхпроводящих состояний позволило группе систематически изучать электрическое сопротивление материалов. Хотя микроскопическое описание индуцированной светом сверхпроводимости в K3C60 все еще отсутствует, эти результаты представляют собой новый ориентир для текущих теорий.

«Самое главное, — заключает Маттиас Бадден, — наша работа прокладывает путь для неотложных экспериментов по фотоиндуцированному эффекту Мейснера и вдохновляет на размышления о применении сверхпроводящих схем в интегральных устройствах, основанных на современной высокоскоростной электронике».

К таким приложениям относятся чрезвычайно чувствительные датчики магнитного поля, высокопроизводительные квантовые вычисления и передача энергии без потерь. В более общем плане, благодаря новому подходу к объединению более длинных импульсов возбуждения в среднем инфракрасном диапазоне с прямыми измерениями электронных и магнитных свойств, команда MPSD стремится улучшить контроль и понимание многих интересных явлений в сложных материалах.