Учени откриват, че задействането на свръхпроводимост с лазерен импулс включва същата фундаментална физика, която работи в по-стабилните състояния, необходими за устройствата в практиката, отваряйки нов път към свръхпроводимост при стайна температура.
Изследователите могат да научат повече за дадена система, като я прехвърлят в леко нестабилно състояние – учените наричат това „извън равновесие“ – и след това наблюдават какво се случва, докато се установява обратно в по-стабилно състояние, подобно на това, както хората могат да научат повече за себе си чрез излизат извън своята зона на комфорт.
Експериментите със свръхпроводящия материал итрий-бариев меден оксид или YBCO показаха, че при определени условия изваждането му от равновесие с лазерен импулс му позволява да стане свръхпроводящ – да провежда електрически ток без загуба – много по-близо до стайна температура, отколкото са очаквали изследователите. Като се има предвид, че учените работят върху свръхпроводници със стайна температура повече от три десетилетия, това може да е значителен пробив.
Но дали наблюденията на това нестабилно състояние имат някакво значение за това как високотемпературните свръхпроводници могат да функционират в реалния свят, където употребата им като електропроводи, магнитни влакове, ускорители на частици и медицинско оборудване изисква стабилност?
Проучване, публикувано наскоро в Science Advances, предполага, че отговорът е да.
„Някои хора смятаха, че макар този тип изследване да е полезно, то не е много обещаващо за бъдещи приложения“, заявява Дзюн-Сик Лий (Jun-Sik Lee), учен от Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката на САЩ и ръководител на международния изследователски екип, извършил проучването.
„Но сега показахме, че фундаменталната физика на тези нестабилни състояния е много подобна на тази на стабилните. Така че това отваря огромни възможности, включително възможността други материали също да бъдат подтикнати в преходно свръхпроводящо състояние със светлина. Това е интересно състояние, което не можем да видим по друг начин."
Как изглежда нормалното?
YBCO е съединение на меден оксид, известно също като купрат, и е член на семейство материали, открити през 1986 г., които провеждат електричество с нулево съпротивление при температури, далеч по-високи, отколкото учените са смятали за осъществими.
Подобно на конвенционалните свръхпроводници, които са били открити повече от 70 години по-рано, YBCO преминава от нормално в свръхпроводящо състояние, когато се охлажда под определена температура на фазов преход. В този момент електроните се сдвояват и образуват кондензат - нещо като електронна супа - която без съпротивление провежда електричество. Учените имат солидна теория за това как това се случва в свръхпроводници от стар тип, но все още няма консенсус за това как работи в неконвенционални такива като YBCO.
Един от начините да се атакува проблема е да се проучи нормалното състояние на YBCO, което е доста странно само по себе си. Нормалното състояние съдържа редица сложни, преплетени фази на материята, всяка с потенциал да помогне или възпрепятства прехода към свръхпроводимост, които се борят за надмощие и понякога се припокриват. Нещо повече, в някои от тези фази електроните изглежда се разпознават и действат колективно, сякаш се придърпват един друг.
Това е истински хаос и изследователите се надяват, че по-доброто му разбиране ще хвърли светлина върху това как и защо тези материали стават свръхпроводящи при температури, много по-високи от теоретичната граница, предвидена за конвенционалните свръхпроводници.
Трудно е да се изследват тези удивителни нормални състояния при високи температури, в които те възникват, така че учените обикновено охлаждат своите YBCO проби до точката, в която стават свръхпроводящи, след което изключват свръхпроводимостта, за да възстановят нормалното състояние.
Превключването обикновено се извършва чрез излагане на материала на магнитно поле. Това е предпочитаният подход, тъй като оставя материала в стабилна конфигурация – състоянието, от което се нуждаем в практиката.
Свръхпроводимостта може да бъде изключена и със светлинен импулс, отбелязва Лий. Това създава нормално състояние, което е малко извън равновесие, където могат да се случат интересни неща от научна гледна точка. Но фактът, че е нестабилно, кара учените да се опасяват да приемат, че всичко, което научават при него, може да бъде приложено и към стабилни материали като тези, необходими за практически приложения.
Вълни, които остават на място
В това проучване Лий и неговите сътрудници сравняват двата подхода за превключване - магнитни полета и светлинни импулси - като се фокусират върху това как те влияят върху особена фаза на материята, известна като стоящи вълни на плътност на заряда или CDW (charge density waves), които възникват в свръхпроводящи материали. CDW са вълнообразни модели с по-висока и по-ниска електронна плътност, но за разлика от океанските вълни, те не се движат.
Двуизмерните CDW са открити през 2012 г., а през 2015 г. Лий и неговите сътрудници откриват нов 3D тип CDW. И двата вида са тясно преплетени с високотемпературна свръхпроводимост и могат да служат като маркери на преходната точка, където свръхпроводимостта се включва или изключва.
За да сравни как изглеждат CDW в YBCO, когато неговата свръхпроводимост е изключена със светлина или с магнетизъм, изследователският екип прави експерименти с три източника на рентгенова светлина.
Първо измерват свойствата на ненарушения материал, включително неговите вълни на плътност на заряда, в Станфордския синхротронен радиационен източник на светлина (SSRL - Stanford Synchrotron Radiation Lightsource) на SLAC.
След това пробите от материала са изложени на силни магнитни полета в синхротронното съоръжение SACLA в Япония и на лазерна светлина с рентгеновия лазер със свободни електрони (PAL-XFEL - Pohang Accelerator Laboratory’s X-ray free-electron lase) на ускорителната лаборатория Поханг в Корея, така че промените в техните CDW могат да бъдат измерени.
„Тези експерименти показаха, че излагането на пробите на магнетизъм или светлина генерира подобни 3D модели на CDW“, съобщава съавторът на изследването Санхун Сун (Sanghoon Song) от SLAC. Въпреки че как и защо това се случва все още не е разбрано, разказва ученият, резултатите показват, че състоянията, предизвикани от двата подхода, имат една и съща фундаментална физика. И те предполагат, че лазерната светлина може да бъде добър начин за създаване и изследване на преходни състояния, които могат да бъдат стабилизирани за практически приложения - включително, потенциално, свръхпроводимост при стайна температура.
Справка: “Characterization of photoinduced normal state through charge density wave in superconducting YBa2Cu3O6.67” by Hoyoung Jang, Sanghoon Song, Takumi Kihara, Yijin Liu, Sang-Jun Lee, Sang-Youn Park, Minseok Kim, Hyeong-Do Kim, Giacomo Coslovich, Suguru Nakata, Yuya Kubota, Ichiro Inoue, Kenji Tamasaku, Makina Yabashi, Heemin Lee, Changyong Song, Hiroyuki Nojiri, Bernhard Keimer, Chi-Chang Kao and Jun-Sik Lee, 9 February 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0832
Източник: New Possibilities Discovered for Room-Temperature Superconductivity
SLAC National Accelerator Laboratory
Още по темата
Физика
Свръхпроводници при стайна температура без екстремно налягане. Възможно ли е?
Физика
Свръхпроводимостта при стайна температура е постигната след 109 години опити (видео)
Физика
Теоретично е предсказан свръхпроводник, който може да работи при 200° С
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари