Impulsuri ultrarapide dezvăluie o limită ascunsă a superconductorilor
Cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Structura și Dinamica Materiei au demonstrat că limita convențională de curent a superconductorilor de tip II poate fi depășită atunci când curentul este aplicat doar câteva picosecunde. Pe aceste scale de timp ultrarapide, echipa a atins o limită intrinsecă mult mai ridicată, numită curent de despachetare. Lucrarea a fost publicată în Nature Physics.
Superconductivitatea apare atunci când anumite materiale sunt răcite sub o temperatură critică de tranziție: rezistența electrică dispare, iar curentul circulă fără a disipa energie sub formă de căldură. Fenomenul se datorează formării perechilor Cooper, perechi de electroni care se deplasează colectiv prin material. Superconductorii sunt astfel utili pentru magneți puternici, detectoare sensibile și circuite cuantice.
Există însă o limită: dacă curentul devine prea mare, superconductivitatea se descompune. Curentul critic definește valoarea maximă pe care un superconductor o poate transporta înainte de apariția disipației electrice. În superconductorii de tip II, această limită experimentală este adesea dictată nu de proprietățile microscopice ale stării superconductoare, ci de mișcarea vortexurilor, regiuni minuscule prin care fluxul magnetic pătrunde în material. La un curent suficient de mare, vortexurile încep să se miște, generând rezistență și căldură care pot scoate materialul din starea superconductingă.
Superconductorul are totuși o limită intrinsecă mai ridicată: curentul de despachetare. „O modalitate de a-l imagina este că curentul răsucește faza stării cuantice coerente a superconductorului, ca atunci când înfășori un arc”, explică Eryin Wang, primul autor al studiului. Dacă condensatul superconducting este răsucit prea mult, starea devine instabilă, iar perechile Cooper încep să se desfacă. Deoarece mișcarea vortexurilor și încălzirea apar de obicei înainte ca faza intrinsecă să fie împinsă atât de departe, această limită este greu de atins prin măsurători convenționale de transport în curent continuu.
Strategia cercetătorilor a fost să devanseze dinamica vortexurilor. Acestea se deplasează de obicei cu viteze de zeci de kilometri pe secundă, ceea ce înseamnă doar zeci de nanometri într-o picosecundă. Un impuls de curent suficient de scurt poate atinge astfel densități foarte mari înainte ca vortexurile să aibă timp să se miște și să încălzească proba, reducând puternic disipația indusă de vortexuri și apropiind condensatul superconducting de limita sa intrinsecă.
Pentru a genera acești curenți ultrascurți, echipa a folosit o platformă de transport electric ultrarapid dezvoltată la institut. Comutatoarele fotoconductive sunt activate de impulsuri laser verzi de 300 de femtosecunde, cu lungimea de undă de 515 nanometri. Comutatoarele generează impulsuri electrice de doar câteva picosecunde, ghidate printr-un ghid de undă coplanar și prin probe superconductoare de dimensiuni micrometrice.
Cercetătorii au comparat NbN și YBCO, materiale cu stări superconductoare fundamental diferite: NbN are un gap energetic mai uniform, de tip s, în timp ce YBCO are un gap puternic dependent de direcție, de tip d. În NbN, starea superconductingă a rămas robustă până la un prag bine definit, mult mai ridicat decât curentul critic obișnuit în curent continuu; dincolo de acest punct, răspunsul s-a schimbat brusc, indicând desfacerea perechilor Cooper. YBCO a răspuns diferit: starea superconductingă s-a slăbit treptat pe măsură ce curentul a crescut. Această diferență este legată de structura internă a celor două materiale. În NbN, gapul energetic este aproape identic în toate direcțiile, în timp ce în YBCO variază puternic și dispare de-a lungul anumitor direcții, astfel încât superconductivitatea poate fi slăbită progresiv, nu colapsează la un singur prag.
„Rezultatele noastre sugerează că transportul în picosecunde poate oferi acces la proprietăți microscopice ale superconductorilor, inclusiv la simetria gapului, care nu sunt disponibile direct prin transport convențional în curent continuu”, spune Andrea Cavalleri, care coordonează grupul de cercetare. Sunt necesare măsurători pe o gamă mai largă de supercondutori pentru a stabili cât de generală este această conexiune.
În ansamblu, lucrarea arată că impulsurile electrice ultrascurte pot accesa regimuri de transport superconducting ascunse în mod normal de procese mai lente, precum mișcarea vortexurilor și încălzirea, deschizând noi posibilități pentru investigarea și controlul superconductorilor pe scalele lor de timp intrinseci. Acest regim de superconductivitate la curent ultra-înalt ar putea influența și optoelectronica și, potențial, dispozitivele magnetice.
