Спалах світла порушує електричний опір

Інфрачервоні лазерні імпульси перетворюють оксид міді кераміку у надпровідник

Блискавка без опору: керамічний оксид міді Lesco1 / 8 стає надпровідним при опроміненні лазерними імпульсами. Смуги можна побачити по черзі вправо і вліво, нахилені структурні елементи і порядок розкручування електронів (фіолетові стрілки). Лазерний імпульс розгладжує структуру кераміки так, що вона приймає надпровідний стан. Те, що ця зміна стану відбувається дуже швидко, дає фізикам вказівки на те, як технічно цікава кераміка оксиду міді втрачає електричний опір. © Joerg M. Harms / Макс Планк Кафедра структурної динаміки - Гамбург
читати вголос

Ізолятор можна перетворити на надпровідник за допомогою лазерного спалаху: гамбурзькі дослідники з’ясували це в новому дослідженні, про яке вони зараз повідомляють у науковому журналі «Science».

Опромінена кераміка також була короткочасним джерелом втрат в експерименті фізиків навколо Андреа Каваллері з дослідницької групи Макса Планка з структурної динаміки в Гамбургському університеті після того, як лазерне світло вщухло.

Також дослідники дивуються швидкості, з якою може генеруватися надпровідний стан. Спостереження сприяють розумінню так званих високотемпературних надпровідників, класу надпровідників, які могли б один день проводити електрику при кімнатній температурі без втрат, і тому експерти очікують великого потенціалу застосування.

Швидкі та енергоефективні магнітні левітації залізниць

Кабельна мережа, яка проводить поїзди без втрат енергії, або надшвидкісні, і в той же час енергоефективні магнітні левітації, ці мрії можуть стати реальністю в майбутньому за допомогою так званих високотемпературних надпровідників. Ці види надпровідників - зазвичай кераміка оксиду міді - проводять електрику при відносно високій температурі без втрат.

У той час як надпровідні метали втрачають електричний опір лише при охолодженні на кілька градусів вище абсолютного нуля температури приблизно мінус 273 градуси Цельсія, деякі високотемпературні надпровідники передбачають надпровідність при критичній температурі близько мінус 100 градусів Цельсія. Така поведінка тісно пов'язана з шаруватою структурою матеріалів, що нагадує купу паперу. дисплей

Дослідники хочуть розробити нову кераміку, яка набуде надпровідних властивостей навіть при кімнатній температурі та внесе дивовижний фізичний ефект з лабораторії у повсякденне життя. Але вони не повністю розуміють, чому високотемпературні надпровідники коли-небудь стають надпровідними, що ускладнює пошук надпровідника, придатного для щоденного використання. Висновки дослідників навколо Каваллері тепер можуть допомогти змінити це.

Смугастий порядок

Гамбургські фізики використали для своїх експериментів своєрідний кристал оксиду міді, в якому атоми елементів лантану, європію та стронцію розташовані між шарами оксиду міді. Зазвичай критична температура цих керамік залежить від співвідношення концентрації елементів лантану та стронцію. При певному співвідношенні концентрації, а саме зі сполукою La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4, коротше LESCO1 / 8, надпровідність не виникає навіть до найнижчих температур.

Це, мабуть, пов’язано з особливістю кристалічної структури Lesco1 / 8, яку дослідники називають смугастою картиною: Октаедри, що складають шари оксидної міді кераміки, не мають паралельних один одному в Lesco1 / 8, як у випадку з Lesco1 / 8 Подібна кераміка оксиду міді. Вони, скоріше, нахилені один до одного, так що один шар нагадує нас про профнастил, а не про папір. Це також пов’язано з смугастим порядком електричного заряду та магнітних моментів (віджимів). Смугастий порядок запобігає, таким чином, припущення теоретичних фізиків про те, що нижче критичного температурного струму може протікати між окремими шарами.

Імпульс від інфрачервоного лазерного світла

Гамбургські дослідники у співпраці з вченими з Англії та Японії тепер направили імпульс інфрачервоного лазерного світла на кристал Lesco1 / 8, який вони раніше охололи до мінус 263 градусів Цельсія. Лазерний імпульс тривав кілька фемтосекунд, час, за якого світло становить менше тисячної частки міліметра. Відразу після цього дослідники направили імпульс терагерца до кераміки і виміряли, наскільки він добре відображається. З відбивної здатності можна визначити, чи стала точка, в яку потрапив лазер, надпровідна. Насправді так було.

Надпровідність може бути вже вище критичної температури

"Ми були особливо здивовані тим, як швидко закінчився надпровідний стан", - каже Каваллері. Пройшло лише близько пікосекунди - трильйону секунди - за цей час світло відступає десяту частину міліметра назад. "Короткий час вказує на те, що смугастий порядок вже містить інформацію про надпровідний стан без того, щоб він був надпровідним", - каже Кавальєрі.

Швидкий перехід у надпровідний стан неможливо пояснити, якщо електрони раніше були без будь-якої синхронізації, як це має місце у звичайному провідному стані. Деякі фізики-теоретики стверджують, що в смугастому порядку вже протікають надпровідні струми, але вони нейтралізують один одного.

Лазер очищає смугастий порядок

Кавалері та його колеги припускають, що лазерний імпульс, де він проникає в кераміку, виключає смугастий порядок, так би мовити, перетворює профнастил у гладкий картон. Це дозволяє надпровідному струму текти між шарами, забезпечуючи тим самим зовні вимірювану надпровідність.

Припущення про те, що надпровідний порядок утворюється в Lesco1 / 8 вже вище критичної температури, також допомагає зрозуміти надпровідність в іншій оксиді міді кераміки. Вчені підозрюють, що попередник надпровідності утворюється всередині шарів навіть вище критичної температури, тому електрони більше не рухаються незалежно один від одного. Але лише при падінні нижче критичної температури електрони синхронізуються між шарами і відбувається надпровідність.

Електрони рухаються синхронно

По суті, у високотемпературному надпровіднику відбувається те саме, що і у фізиків, як у звичайному надпровіднику. Нижче критичної температури електрони в матеріалі об'єднуються, утворюючи пари під назвою пари Купера. Пари Купера поводяться як нові квантові частинки, які мають здатність бракувати електронів: всі вони можуть приймати однаковий квантовий механічний стан. Ілюстративно це означає, що всі електрони рухаються синхронно.

Оскільки жоден електрон не може виконувати додаткові гастролі, як би це не було, він більше не може відволікатися від свого шляху нерівностями кристалічної решітки. Цей прогин призводить до нормального опору електричного опору. Однак досі незрозуміло, як електрони у високотемпературних надпровідниках збираються, щоб утворити пари Купера, коротше: як працює їх синхронізація.

Нові пояснювальні підходи до синхронізації

Результати гамбургських дослідників тепер дають нові пояснення синхронізації, але можуть також мати практичний вплив. "Надпровідний стан зберігається після гасіння лазерного імпульсу", - підкреслює Каваллері. Кераміка залишається надпровідною в мільйон разів довше, ніж триває лазерний імпульс майже одну мільйонну частину секунди. Надпровідний стан, що генерується лазерним світлом, є "захищеним станом", пояснює Каваллері, тому системі потрібен певний час, щоб повернутися до свого непровіденного основного стану.

"Можливо, такий стан можна стабілізувати", - каже Каваллері. Це має показати майбутнє. Наступною метою свого дослідження фізик називає підвищення критичної температури. Каваллері: "Можливо, ми можемо підвищити критичну температуру такого матеріалу, як Lesco1 / 8 до мінус 253 градусів за допомогою лазера від мінус 273 градусів Цельсія", - пояснює Каваллері. - Якщо це можливо, ми можемо зробити матеріал, який зазвичай мінус 250 градусів. Цельсій втрачає електричний опір, можливо, роблячи лазер надпровідним навіть при кімнатній температурі ".

(MPG, 17.01.2011 - DLO)