Подобно тому, как люди могут больше узнать о себе, выходя за пределы своей зоны комфорта, исследователи могут узнать больше о системе, встряхнув ее, сделав ее немного нестабильной — ученые называют это «выходом из равновесия» — и наблюдая за тем, что происходит, когда она выходит из равновесия. возвращается в более стабильное состояние.
В случае сверхпроводящего материала, известного как оксид иттрия-бария-меди, или YBCO, эксперименты показали, что при определенных условиях выведение его из равновесия с помощью лазерного импульса позволяет ему сверхпроводить — проводить электрический ток без потерь — при гораздо более близких к комнатной температуре , чем ожидали исследователи. Это может иметь большое значение, учитывая, что ученые изучают сверхпроводники при комнатной температуре уже более трех десятилетий.
Но имеют ли наблюдения этого нестабильного состояния какое-либо отношение к тому, как высокотемпературные сверхпроводники будут работать в реальном мире, где такие приложения, как линии электропередач, поезда на магнитной подвеске, ускорители частиц и медицинское оборудование, требуют их стабильности?
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Science Advances , предполагает, что ответ положительный.
«Люди думали, что, несмотря на то, что этот тип исследования был полезен, он не очень перспективен для будущих приложений», — сказал Джун-Сик Ли, штатный научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и руководитель международной исследовательской группы, которая провела исследование. из исследования.
«Но теперь мы показали, что фундаментальная физика этих нестабильных состояний очень похожа на физику стабильных. Так что это открывает огромные возможности, в том числе возможность того, что другие материалы также могут быть переведены в переходное сверхпроводящее состояние с помощью света . интересное состояние, которое мы не можем видеть по-другому».
Cверхпроводники
YBCO — это соединение оксида меди, или купрат, член семейства материалов, которые, как было обнаружено в 1986 году, проводят электричество с нулевым сопротивлением при гораздо более высоких температурах, чем считали возможным ученые.
Подобно обычным сверхпроводникам, открытым более 70 лет назад, YBCO переходит из нормального состояния в сверхпроводящее при охлаждении ниже определенной температуры перехода. В этот момент электроны объединяются в пары и образуют конденсат — нечто вроде электронного супа, — который легко проводит электричество. У ученых есть твердая теория того, как это происходит в сверхпроводниках старого образца, но до сих пор нет единого мнения о том, как это работает в нетрадиционных сверхпроводниках, таких как YBCO.
Один из способов решить эту проблему — изучить нормальное состояние YBCO, которое само по себе довольно странно. Нормальное состояние содержит ряд сложных, переплетенных фаз материи, каждая из которых может способствовать или препятствовать переходу к сверхпроводимости, которые борются за доминирование и иногда перекрываются. Более того, в некоторых из этих фаз кажется, что электроны узнают друг друга и действуют коллективно, как если бы они таскали друг друга.
Это настоящий клубок, и исследователи надеются, что его лучшее понимание прольет свет на то, как и почему эти материалы становятся сверхпроводящими при температурах, намного превышающих теоретический предел, предсказанный для обычных сверхпроводников.
Трудно исследовать эти удивительные нормальные состояния при высоких температурах, в которых они возникают, поэтому ученые обычно охлаждают свои образцы YBCO до такой степени, что они становятся сверхпроводящими, а затем отключают сверхпроводимость, чтобы восстановить нормальное состояние.
Переключение обычно осуществляется путем воздействия на материал магнитного поля. Это предпочтительный подход, потому что он оставляет материал в стабильной конфигурации — такой, которая вам понадобится для создания практичного устройства.
По словам Ли, сверхпроводимость также можно отключить импульсом света. Это создает нормальное состояние, которое немного выведено из равновесия — вне равновесия, — в котором с научной точки зрения могут происходить интересные вещи. Но тот факт, что он нестабилен, заставил ученых с осторожностью предположить, что все, что они там изучают, может быть применено к стабильным материалам, таким как те, которые необходимы для практических применений.
Волны, которые остаются на месте
В этом исследовании Ли и его сотрудники сравнили два подхода к переключению — магнитные поля и световые импульсы — сосредоточив внимание на том, как они влияют на особую фазу материи, известную как волны плотности заряда или ВЗП, которая появляется в сверхпроводящих материалах. CDW представляют собой волнообразные узоры с более высокой и более низкой электронной плотностью, но, в отличие от океанских волн, они не перемещаются.
Двумерные ВЗП были обнаружены в 2012 году, а в 2015 году Ли и его сотрудники открыли новый трехмерный тип ВЗП. Оба типа тесно переплетены с высокотемпературной сверхпроводимостью и могут служить маркерами точки перехода, где сверхпроводимость включается или выключается.
Чтобы сравнить, как выглядят CDW в YBCO, когда его сверхпроводимость отключается светом по сравнению с магнетизмом, исследовательская группа провела эксперименты с тремя источниками рентгеновского излучения.
Сначала они измерили свойства невозмущенного материала, включая его волны плотности заряда, в Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) SLAC.
Затем образцы материала подвергались воздействию сильных магнитных полей на синхротронной установке SACLA в Японии и лазерному излучению на рентгеновском лазере на свободных электронах (PAL-XFEL) Лаборатории ускорителей Пхохана в Корее, так что изменения в их ВЗП могли быть обнаружены. измерено.
«Эти эксперименты показали, что при воздействии на образцы магнетизма или света генерируются аналогичные трехмерные модели CDW», — сказал штатный научный сотрудник SLAC и соавтор исследования Сангхун Сонг. Хотя, как и почему это происходит, до сих пор неясно, сказал он, результаты показывают, что состояния, индуцированные любым подходом, имеют одну и ту же фундаментальную физику. И они предполагают, что лазерный свет может быть хорошим способом создания и исследования переходных состояний, которые можно стабилизировать для практических приложений, включая, потенциально, сверхпроводимость при комнатной температуре.
Теги: энергия
