Свръхпроводниците са едни от най-удивителните материали в квантовата физика. Когато се охладят под определена температура, тяхното електрическо съпротивление изчезва и токът тече без загуби на енергия за нагряване. Това се случва благодарение на образуването на корелирани двойки електрони – така наречените двойки на Купър, които се движат колективно, подобно на вълна.

Въпреки това свръхпроводимостта не издържа на неограничен ток. Когато токът стане прекалено голям, свръхпроводящото състояние започва да се разрушава. Критичният ток на материала описва максималната сила на тока до появата на съпротивление и загуби на енергия.

При свръхпроводниците от втори вид критичният ток, измерен в експерименти често не отразява истинската микроскопична граница на самата свръхпроводимост. Вместо това разрушаването обикновено се предизвиква от движението на вихри – миниатюрни области, през които магнитният поток прониква в материала. С нарастването на тока вихрите започват да се движат, създавайки съпротивление и отделяйки топлина, което в крайна сметка унищожава свръхпроводящото състояние.

Всъщност свръхпроводниците притежават по-висока фундаментална граница – така нареченият ток на разпадане. Това може да се представи по следния начин: токът „завива“ фазата на кохерентното квантово състояние на свръхпроводника, сякаш навива пружина. Ако квантовото състояние се усуче прекалено силно, то става нестабилно и двойките на Купър започват да се разпадат. Обичайните измервания при постоянен ток рядко достигат този вътрешен праг, тъй като движещите се вихри и нагряването разрушават свръхпроводимостта по-рано.

Сега изследователи са разработили начин да заобиколят този проблем, като подават изключително къси импулси на ток.

„Нашата стратегия се състоеше в това да изпреварим динамиката на вихрите.“

обяснява Ерин Ван, водещ автор на изследването

Вихрите могат да се движат със скорост от десетки километри в секунда, но за пикосекунда те се изместват само с десетки нанометри. При подаване на ток за изключително кратко време е възможно да се достигнат много високи стойности на плътността на тока, преди вихрите да успеят да се преместят значително или да нагреят материала. Това драстично намалява загубите на енергия от движението на вихрите и позволява да се доближим до фундаменталната граница на тока. За създаването на такива къси импулси екипът използва свръхбърза платформа за електрически транспорт.

„За да подадем ток към свръхпроводниците само за няколко пикосекунди, използвахме свръхбърза платформа за електрически транспорт, която разработваме в нашия институт.“

казва Гвидо Майер, съавтор на изследването

Системата използва фотопроводими превключватели, които се задействат от зелени лазерни импулси с продължителност 300 фемтосекунди и дължина на вълната 515 нанометра. Активираните превключватели създават електрически импулси с продължителност едва няколко пикосекунди, които преминават по копланарен вълновод и след това през свръхпроводящи образци с размер едва няколко микрометра. Изследователите са тествали два материала – NbN и YBCO, които представляват принципно различни форми на свръхпроводимост. NbN има относително хомогенна свръхпроводяща енергийна празнина (s-вълна), докато при YBCO празнината се променя значително в зависимост от посоката (d-вълна). Изследването на двата материала позволи да се установи как микроскопичната структура на свръхпроводящото състояние влияе върху поведението при екстремно силни свръхбързи токове.

NbN оставаше силно свръхпроводящ до достигане на ясен праг, значително надвишаващ обичайния му критичен ток при постоянен ток. След преминаване на тази точка реакцията на материала се променяше рязко – признак, че двойките на Купър са започнали да се разпадат. YBCO се е държал по различен начин: вместо стабилност, последвана от рязък срив, неговото свръхпроводящо състояние постепенно отслабваше с нарастването на тока.

Изследователите свързват тази разлика с различната вътрешна структура на материалите. В NbN енергийната празнина е почти еднаква във всички посоки, докато в YBCO тя варира значително и напълно изчезва по определени посоки, което позволява на свръхпроводимостта да отслабва постепенно, а не да се срива при един ясен праг.

Учените трябва да изследват по-широк кръг от свръхпроводящи материали, за да определят доколко универсална е тази връзка. Като цяло резултатите показват, че свръхкратките електрически импулси са способни да разкриват форми на свръхпроводящ транспорт, които обикновено са скрити от по-бавни ефекти – движението на вихри и нагряването. Работейки във времеви мащаби, съпоставими с мащабите на самото свръхпроводящо състояние, учените могат да открият нови начини за изследване и управление на тези квантови материали. Този нов режим на свръхпроводимост при свръхвисоки токове може също да намери приложение в оптоелектрониката и потенциално в магнитни устройства.