Сверхпроводники – материалы, которые при охлаждении ниже определённой температуры теряют электрическое сопротивление. Ток по ним проходит без потерь, что открывает перспективы для создания мощных магнитов, высокочувствительных датчиков и квантовых схем. Однако сверхпроводимость разрушается, если сила тока превышает критическое значение.
На практике этот предел часто оказывается ниже теоретического. В сверхпроводниках второго типа причиной преждевременного сбоя обычно становятся магнитные вихри – микроскопические области, через которые в материал проникает магнитный поток. Когда ток нарастает, вихри начинают двигаться, что создаёт сопротивление и вызывает нагрев, разрушающий сверхпроводящее состояние. Истинный же предел, так называемый ток распаривания, достигается, когда сила тока становится настолько большой, что разрывает куперовские пары – связанные состояния электронов, которые и обеспечивают сверхпроводимость.
Немецкие физики предложили способ обойти проблему с вихрями, используя сверхкороткие электрические импульсы длительностью в несколько пикосекунд (триллионных долей секунды). За такое время вихри, хотя и движутся со скоростью в десятки километров в секунду, не успевают сместиться на значимое расстояние и повлиять на эксперимент. Это позволяет подать на образец ток очень высокой плотности и приблизиться к фундаментальному пределу сверхпроводимости.
Для генерации импульсов учёные использовали установку, где фемтосекундные лазерные вспышки активировали фотопроводящие переключатели. Созданные пикосекундные импульсы направляли по волноводу на микроскопические образцы двух материалов: нитрида ниобия (NbN) и оксида иттрия-бария-меди (YBCO). Их выбрали, поскольку они представляют два разных типа сверхпроводимости, которые отличаются внутренним строением.
Материалы повели себя по-разному. Нитрид ниобия сохранял сверхпроводимость вплоть до очень высокого порога тока, значительно превышающего его стандартный критический показатель. При превышении этого порога материал резко терял свои свойства, что указывает на начало распада куперовских пар. В отличие от него, сверхпроводимость в YBCO ослабевала постепенно по мере увеличения силы тока, без чётко выраженного порога.
Разное поведение материалов исследователи связывают с их внутренним строением. У нитрида ниобия так называемая сверхпроводящая энергетическая щель почти одинакова во всех направлениях, поэтому разрушение происходит одномоментно. У YBCO этот параметр сильно зависит от направления и в некоторых даже обнуляется, что и приводит к постепенной деградации сверхпроводящего состояния.
Новый метод позволяет напрямую изучать микроскопические свойства сверхпроводников, которые скрыты при традиционных измерениях. Учёные полагают, что сверхкороткие импульсы открывают доступ к новым режимам транспорта тока, которые ранее маскировались более медленными процессами, такими как движение вихрей и нагрев. Это может привести к новым способам исследования и контроля квантовых материалов.
