Запуск сверхпроводимости при комнатной температуре с помощью лазера

785

Ученые обнаружили, что запуск сверхпроводимости вспышкой света включает ту же фундаментальную физику, которая работает в более стабильных состояниях, необходимых для устройств, открывая новый путь к созданию сверхпроводимости при комнатной температуре.

Исследователи могут узнать больше о системе, «встряхнув» ее, сделав немного неустойчивой — ученые называют это «выходом из равновесия» — и наблюдая за тем, что происходит, когда она выходит из равновесия, а затем возвращается в более стабильное состояние.

В случае со сверхпроводящим материалом, известным как оксид иттрия-бария-меди, или YBCO, эксперименты показали, что при определенных условиях выведение его из равновесия с помощью лазерного импульса позволяет ему испытывать сверхпроводимость — проводить электрический ток без потерь — гораздо ближе к комнатной температуре, чем ожидали ученые. Это может иметь большое значение, учитывая, что исследователи изучают при комнатной температуре уже более трех десятилетий.

Но имеют ли наблюдения этого нестабильного состояния какое-либо отношение к тому, как высокотемпературные будут работать в реальном мире, где такие технологии, как линии электропередач, поезда на магнитной подвеске, ускорители частиц и медицинское оборудование, требуют их стабильности?

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, предполагает, что ответ на этот вопрос положительный.

«Люди думали, что, несмотря на то, что этот тип исследования был полезен, он не очень перспективен для будущих приложений», — сказал Джун-Сик Ли, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC  и руководитель международной исследовательской группы.

«Но теперь мы показали, что фундаментальная физика этих нестабильных состояний очень похожа на физику стабильных. Таким образом, это открывает огромные возможности, в том числе возможность того, что другие материалы также могут быть переведены в переходное сверхпроводящее состояние с помощью света. Это интересное состояние, которое мы не можем видеть по-другому».

Как выглядит нормальный YBCO?

YBCO — это соединение оксида меди, или купрат, член семейства материалов, которые, как было обнаружено в 1986 году, проводят с нулевым сопротивлением при гораздо более высоких температурах, чем считали возможным ученые.

Подобно обычным сверхпроводникам, открытым более 70 лет назад, YBCO переходит из нормального состояния в сверхпроводящее при охлаждении ниже определенной температуры перехода. В этот момент объединяются в пары и образуют конденсат — своего рода электронный суп, который легко проводит электричество. У ученых есть теория того, как это происходит в сверхпроводниках старого образца, но до сих пор нет единого мнения о том, как это работает в нетрадиционных сверхпроводниках, таких как YBCO.

Один из способов решить эту проблему — изучить нормальное состояние YBCO, которое само по себе довольно странно. Нормальное состояние содержит ряд сложных, переплетенных фаз материи, каждая из которых может способствовать или препятствовать переходу к сверхпроводимости, которые борются за доминирование и иногда перекрываются. Более того, в некоторых из этих фаз электроны, кажется, «узнают» друг друга и действуют коллективно.

Это настоящая загадка, и исследователи надеются, что его лучшее понимание прольет на то, как и почему эти материалы становятся сверхпроводящими при температурах, намного превышающих теоретический предел, предсказанный для обычных сверхпроводников.

Трудно исследовать эти удивительные нормальные состояния при высоких температурах, в которых они возникают, поэтому ученые обычно охлаждают свои образцы YBCO до такой степени, что они становятся сверхпроводящими, а затем отключают сверхпроводимость, чтобы восстановить нормальное состояние.

Переключение обычно осуществляется путем воздействия на материал магнитного поля. Это предпочтительный подход, потому что он оставляет материал в стабильной конфигурации — такой, который понадобится для создания практичного устройства.

По словам Джун Ли, сверхпроводимость также можно отключить импульсом света. Это создает нормальное состояние, которое немного выведено из равновесия — вне равновесия, — в котором с научной точки зрения могут происходить интересные вещи. Но тот факт, что оно нестабильно, заставил ученых с осторожностью предположить, что все, что они там узнают, может быть применено к стабильным материалам, таким как те, которые необходимы для практических применений.

Волны, которые остаются на месте

В этом исследовании ученые сравнили два подхода к переключению — магнитные поля и световые импульсы — сосредоточив внимание на том, как они влияют на особую фазу вещества, известную как волны плотности заряда или CDW, которые появляются в сверхпроводящих материалах. CDW представляют собой волнообразные узоры с более высокой и более низкой электронной плотностью, но, в отличие от океанских волн, они не перемещаются.

Двумерные CDW были обнаружены в 2012 году, а в 2015 году Джун Ли и его сотрудники открыли новый трехмерный тип CDW. Оба типа тесно переплетены с высокотемпературной сверхпроводимостью и могут служить маркерами точки перехода, где сверхпроводимость включается или выключается.

Чтобы сравнить, как выглядят CDW в YBCO, когда его сверхпроводимость отключается светом по сравнению с магнетизмом, исследовательская группа провела эксперименты с тремя источниками рентгеновского излучения.

Сначала они измерили свойства невозмущенного материала, в том числе его волны плотности заряда, в Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) SLAC.

Затем образцы материала подвергались воздействию сильных магнитных полей на синхротронной установке SACLA в Японии и лазерному излучению на рентгеновском лазере на свободных электронах (PAL-XFEL) Лаборатории ускорителей Пхохан в Корее.

«Эти эксперименты показали, что при воздействии на образцы магнетизма или света генерируются аналогичные трехмерные модели CDW», — сказал научный сотрудник SLAC и соавтор исследования Сангхун Сонг.

Хотя, как и почему это происходит, до сих пор неясно, сказал он, результаты показывают, что состояния, индуцированные любым подходом, имеют одну и ту же фундаментальную физику. И они предполагают, что лазерный может быть хорошим способом создания и исследования переходных состояний, которые можно стабилизировать для практических приложений, включая, потенциально, сверхпроводимость при комнатной температуре.

Исследование было опубликовано в Science Advances. “Characterization of photoinduced normal state through charge density wave in superconducting YBa2Cu3O6.67”  doi.org/10.1126/sciadv.abk0832
Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии