Свръхпроводниците могат да пренасят електрически ток без съпротивление, т.е. без загуби, но само до максимална стойност, наречена критичен ток. Критичният ток е ключов показател за приложенията и материалознанието отдавна се фокусира върху увеличаването на тази граница.
Изследователи от Института Макс Планк за структура и динамика на материята (MPSD) сега показват, че при свръхпроводниците тип II тази конвенционална граница може да бъде превишена, когато токът се прилага само за няколко пикосекунди.
При тези ултракратки времеви интервали изследователите успяват да достигнат много по-висока, присъща граница, наречена "разпадащ се ток". Това е абсолютният максимален електрически ток, който свръхпроводникът може да пренесе, преди електронните му двойки да се разпаднат и свръхпроводимостта да се разруши.
Проучването вече е публикувано в Nature Physics.
Свръхпроводимостта е едно от най-поразителните колективни явления в квантовите материали. Когато определени материали се охладят под характерна температура на преход, тяхното електрическо съпротивление изчезва и електрическият ток може да тече, без да разсейва енергия като топлина. Това необичайно поведение възниква, защото електроните образуват корелирани двойки, наречени куперови двойки, които се движат колективно през материала, подобно на вълна. Следователно свръхпроводниците са привлекателни за технологии, вариращи от мощни магнити и чувствителни детектори до квантови схеми. Това състояние без разсейване обаче има своите граници: ако токът стане твърде голям, свръхпроводимостта се разпада.
Критичният ток е ключово свойство на всеки свръхпроводник, определящ максималния ток, който може да пренесе, преди да се появи електрическо разсейване. При свръхпроводниците тип II обаче тази експериментално наблюдавана граница често не се определя директно от микроскопичните свойства на свръхпроводящото състояние. Вместо това, тя обикновено се определя от движението на вихри - малки области, през които магнитният поток прониква в материала. При достатъчно висок ток вихрите започват да се движат, генерирайки съпротивление и топлина, които могат да изтласкат материала от неговото свръхпроводящо състояние.
И все пак, свръхпроводникът има по-висока, присъща граница на тока: "разпадащият се ток".
"Един от начините да се изобрази това е, че токът "усуква" фазата на кохерентното квантово състояние на свръхпроводника, подобно на навиване на пружина", обяснява Арин Уан (Eryin Wang), водещ автор на изследването.
Ако свръхпроводящият кондензат е усукан твърде много, свръхпроводящото състояние става нестабилно. При този праг куперовите двойки – сдвоените електрони, отговорни за свръхпроводимостта – започват да се разпадат. Тъй като вихровото движение и нагряването обикновено се случват, преди присъщата фаза да бъде изтласкана твърде много, тази присъща граница е трудно да се достигне с помощта на конвенционални измервания на постоянен ток (DC).
"Нашата стратегия беше да изпреварим динамиката на вихрите", обяснява Арин Уан. Вихрите обикновено се движат със скорости от десетки километри в секунда, което съответства само на десетки нанометри по време на пикосекунда. Следователно достатъчно кратък токов импулс може да достигне много висока плътност, преди вихрите да имат време да се задвижат и да нагреят пробата. Това силно намалява индуцираното от вихрите разсейване и позволява самият свръхпроводящ кондензат да бъде избутан много по-близо до присъщата си граница.
За да генерират такива ултракъси токове, изследователите използват ултрабърза платформа за електрически транспорт, разработена в MPSD.
"За да подадем ток към свръхпроводници само за няколко пикосекунди, използвахме ултрабързата платформа за електрически транспорт, която разработваме в нашия институт", разказва Гуидо Майер (Guido Meier), съавтор на изследването.
В тази платформа фотопроводящите превключватели се активират от 300-фемтосекундни зелени лазерни импулси с дължина на вълната 515 нанометра. Превключвателите генерират електрически импулси с продължителност само няколко пикосекунди, които се насочват по копланарен вълновод и през микрометрични свръхпроводящи проби.
Изследователите сравняват NbN и YBCO, защото техните свръхпроводящи състояния са коренно различни: NbN има по-равномерна енергийна междина (s-вълна), докато YBCO има силно зависима от посоката междина (d-вълна). Сравняването на двете помага да се разкрие как микроскопичната структура на свръхпроводимостта влияе върху нейното разрушаване под въздействието на ултрабързи токове.
В NbN, свръхпроводящото състояние остава стабилно, докато токът достигне добре дефиниран праг, много по-висок от обичайния критичен постоянен ток. След тази точка, реакцията се променя рязко, което показва, че куперовите двойки, отговорни за свръхпроводимостта, се разпадат.
YBCO реагира много различно: свръхпроводящото му състояние отслабва постепенно с увеличаване на тока. Изследователите свързват този контраст с различните вътрешни структури на двата свръхпроводника. В NbN свръхпроводящата енергийна празнина е почти еднаква във всички посоки, докато в YBCO тя варира силно и изчезва в определени посоки. В резултат на това свръхпроводимостта в YBCO може да отслабва прогресивно, вместо да се срива при един-единствен остър праг.
"Нашите резултати показват, че пикосекундният транспорт може да осигури достъп до микроскопични свойства на свръхпроводниците, включително тяхната симетрия на процепа, които не са директно достъпни от конвенционалния постоянен ток", отбелязва Андреа Кавалери (Andrea Cavalleri), който ръководи изследователската група.
За да се определи как може тази връзка да се приложи, ще са необходими измервания върху по-широк спектър от свръхпроводници. В по-широк план, тази работа показва, че ултракъсите електрически импулси могат да достигнат режими на свръхпроводящ транспорт, които обикновено са скрити от по-бавни процеси като вихрово движение и нагряване, отваряйки нови възможности за изследване и контрол на свръхпроводниците в техните присъщи времеви мащаби. Този нов режим на свръхпроводимост с ултрависок ток би могъл да повлияе както на оптоелектрониката, така и на потенциално магнитните устройства.
Справка: E. Wang, M. Chavez-Cervantes, J. Satapathy, T. Matsuyama, G. Meier, X. Zhang, L. You, F. Marijanovic, J.B. Curtis, E. Demler, A. Cavalleri; Probing picosecond depairing currents in type-II-superconductors; Nature Physics (2026); https://doi.org/10.1038/s41567-026-03469-z
Източник: New current limit reached for superconductors, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD)
Още по темата
Физика
Счупен е 30-годишен рекорд за свръхпроводимост при нормално налягане
Космос
Счупен е дългогодишен рекорд за свръхпроводимост при висока температура и нормално налягане
Физика
Усукан графен показва потенциал като неконвенционален свръхпроводник
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция