Fizičari "pretekli" kvantne vrtloge i izmjerili pravu granicu supraprovodljivosti

Supraprovodnici omogućavaju tehnologije poput levitirajućih vozova, sudarača čestica i medicinskih uređaja za snimanje tijela, ali njihovo stanje je krhko. Materijali se moraju ohladiti na vrlo niske temperature kako bi provodili elektricitet bez otpora, a jaka struja ili vanjsko magnetno polje mogu ih izbaciti iz supraprovodnog stanja.

Postoji, međutim, još viša granica koju je teško izmjeriti klasičnim metodama poput istosmjernog (DC) transporta, jer je preteknu kvantnim poremećajima koji traju samo milijarditinu sekunde. Riječ je o tzv. depairing granici — tački na kojoj se razdvajaju upareni elektroni, nazvani Cooperovi parovi, koji čine temelj supraprovodljivosti.

Kako preteći vrtloge

Kod supraprovodnika druge vrste, koji su tehnološki korisniji od čistih metala prve vrste, unutrašnja magnetna polja šire se kao sitni "tornadi" elektriciteta — kvantni vrtlozi. Kada struja kroz materijal postane prejaka, vrtlozi se počnu kretati, stvarajući otpor i toplotu koja gasi supraprovodljivost.

"Naša strategija je bila da pretekne dinamiku vrtloga", objasnio je voditelj istraživanja Eryin Wang, fizičar sa Instituta Max Planck za strukturu i dinamiku materije (MPSD) u Hamburgu. Tim je razvio optičko-električno kolo koje višestruko nadmašuje brzinu vrtloga, koji djeluju brzinama od desetina kilometara u sekundi. Laseri su ispaljivali impulse zelenog svjetla trajanja 300 femtosekundi, koji su pretvarani u strujne impulse od nekoliko pikosekundi — prebrzo da bi vrtlozi stigli izazvati otpor i gubitak supraprovodljivosti.

Dva materijala, dva ponašanja

Istraživači su uporedili dva supraprovodna materijala: niobijum nitrid (NbN) i jedan član porodice itrijum barijum bakrenog oksida (YBCO), koji pokazuje "visokotemperaturnu" supraprovodljivost. Izabrani su jer prvi ima s-wave simetriju procjepa, a drugi d-wave — osobinu koja određuje koliko je lako razdvojiti uparene elektrone.

NbN je zadržao supraprovodljivo stanje sve dok struja nije dostigla jasno definisani prag, iznad konvencionalnog DC nivoa zbog kratkog trajanja impulsa. Tada su se Cooperovi parovi raspali i supraprovodljivost se naglo zaustavila. YBCO je, s druge strane, pokazivao postepeno slabljenje supraprovodnog stanja. Razlika proizlazi iz simetrije procjepa: kod NbN energijski procjep jednak je u svim pravcima prostora impulsa, dok se kod YBCO znatno mijenja, pa čak i nestaje u određenim pravcima.

"Naši rezultati sugerišu da pikosekundni transport može omogućiti pristup mikroskopskim osobinama supraprovodnika, uključujući simetriju njihovog procjepa, koje nisu direktno dostupne konvencionalnim DC transportom", naveo je Andrea Cavalleri, voditelj grupe za dinamiku kondenzirane materije na MPSD. Studija je objavljena u časopisu Nature Physics.

Predstavljeni "novi pristup" nudi okvir za testiranje ključnih svojstava različitih supraprovodnih materijala, pa bi tako "ispitivanje" većeg broja supraprovodnika moglo otkriti osobine poput simetrije procjepa i to kako se materijali ponašaju na njihovim fundamentalnim vremenskim skalama. "Ovaj rad ističe potencijal ultra-brzih strujnih impulsa kao moćnog novog alata za pristup intrinzičnim osobinama supraprovodnika", sažeo je Jianqiao Meng, profesor fizike na Central South University, koji nije bio uključen u ovo istraživanje.