Открити нови възможности за свръхпроводимост при стайна температура


Изключване на SLAC за свръхпроводимост

За да изучават свръхпроводящи материали в тяхното „нормално“ не-свръхпроводимо състояние, учените обикновено изключват свръхпроводимостта, като излагат материала на магнитно поле, отляво. Учените от SLAC откриха, че изключването на свръхпроводимостта със светкавица, вдясно, произвежда нормално състояние с много подобна фундаментална физика, която също е нестабилна и може да приеме кратки проблясъци на свръхпроводимост при стайна температура. Тези резултати отварят нов път към производството на свръхпроводимост при стайна температура, която е достатъчно стабилна за практични устройства. Кредит: Грег Стюарт/Национална ускорителна лаборатория SLAC

Учените откриват, че задействането на свръхпроводимост със светкавица включва същата фундаментална физика, която работи в по-стабилните състояния, необходими за устройствата, отваряйки нов път към производството на 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 техните зони 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 свръхпроводи – 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 колко висока температура свръхпроводници може да функционира в реалния свят, където употреби като електропроводи, влакове на маглеви леви, ускорители на частици и медицинско оборудване изискват тяхната стабилност?

Проучване, публикувано в Научни постижения днес предполага, че отговорът е да.

„Хората смятаха, че въпреки че този вид изследване е полезно, то не е много обещаващо за бъдещи приложения“, каза Джун-Сик Лий, учен в Министерството на енергетиката SLAC Национална ускорителна лаборатория 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.”

Учен от SLAC Джун-Сик Лий

Учен от SLAC Джун-Сик Лий. Кредит: Jun-Sik Lee/SLAC National Accelerator Laboratory

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 към свръхпроводящо състояние, когато се охлажда под определена температура на преход. В този момент електроните се сдвояват и образуват кондензат – нещо като електронна супа – която без усилие провежда електричество. Учените имат солидна теория за това как това се случва в свръхпроводници от стар стил, 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 господство и понякога се припокриват. Нещо повече, в някои от тези фази електроните изглежда се разпознават и действат колективно, сякаш се влачат един друг.

Това е истинска плетеница 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 завладяващи нормални състояния при топлите температури, където се появяват, 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 – сортът, от който ще се нуждаете, за да създадете практично устройство.

Свръхпроводимостта може да бъде изключена и със светлинен импулс, каза Лий. Това създава нормално състояние, което е малко неравновесно – извън равновесие – където могат да се случат интересни неща от научна гледна точка. Но фактът, че е нестабилен, накара учените да се опасяват да приемат, че всичко, което научават там, 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 вълни на плътност на заряда, или CDW, която се появява 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 бяха открити през 2012 г., а през 2015 г. Лий и неговите сътрудници откриха 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 срещу магнетизъм, изследователският екип направи експерименти с три източника на рентгенова светлина.

Първо те измерват свойствата на ненарушения материал, включително неговите вълни на плътност на заряда, в Станфордския синхротронен радиационен източник на светлина (SSRL) на SLAC.

След това пробите от материала бяха изложени на високи магнитни полета в синхротронното съоръжение SACLA в Япония и на лазерна светлина в рентгеновия лазер със свободни електрони (PAL-XFEL) на лабораторията на Pohang Accelerator в Корея, така че промените в техните CDW могат да бъдат измерено.

„Тези експерименти показаха, че излагането на пробите на магнетизъм или светлина генерира подобни 3D модели на CDW“, каза учен от SLAC и съавтор на изследването Sanghoon Song. Въпреки че как и защо това се случва все още не е разбрано, каза той, 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.

Изследователи от лабораторията за ускоряване на Поханг и Университета за наука и технологии в Поханг в Корея; Университет Тохоку, RIKEN[{” attribute=””>SPring-8 Center and Japan Synchrotron Radiation Research Institute in Japan; and Max Planck Institute for Solid State Research in Germany also contributed to this work, which was funded by the DOE Office of Science. SSRL is a DOE Office of Science user facility.

Reference: “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