Nature Physics: Ученые проследили эволюцию беспорядка в сверхпроводниках

В физике важен беспорядок, но его сложно изучать. Например, на свойства высокотемпературных сверхпроводников сильно влияет химический состав твёрдого тела. Существующие методы измерения такого беспорядка работают только при низких температурах и не могут отследить изменения вблизи температуры перехода.

Исследователи из Института Макса Планка по структуре и динамике материи (MPSD) в Германии и Брукхейвенской национальной лаборатории в США предложили новый способ изучения беспорядка в сверхпроводниках с помощью терагерцовых импульсов света. Они адаптировали методы ядерного магнитного резонанса для терагерцовой спектроскопии и смогли проследить эволюцию беспорядка вплоть до температуры сверхпроводящего перехода.

Работа группы Кавальери опубликована в журнале Nature Physics.

Сверхпроводимость — это явление, при котором электрический ток может протекать без сопротивления. Оно является одним из важнейших в физике конденсированных сред и имеет большое технологическое значение.

Многие материалы становятся сверхпроводящими при низких температурах (около -170°C). Например, купратные сверхпроводники приобретают свои свойства благодаря химическому легированию, которое вносит беспорядок. Но как именно это влияет на их сверхпроводимость, пока неясно.

Эксперименты с точным пространственным разрешением, в которых используются острые металлические наконечники, обычно применяются для изучения беспорядка в сверхпроводниках и других конденсированных системах. Но такие эксперименты можно проводить только при очень низких температурах жидкого гелия, поэтому они не подходят для исследования многих фундаментальных вопросов, связанных со сверхпроводимостью.

Исследователи MPSD применили методы многомерной спектроскопии, которые изначально использовались для ядерного магнитного резонанса. Затем эти методы были адаптированы химиками для изучения молекулярных и биологических систем в видимом и ультрафиолетовом диапазоне оптических частот.

Эти методы были распространены на терагерцовый диапазон частот, где резонируют коллективные моды твёрдых тел. Метод предполагает последовательное возбуждение материала несколькими интенсивными терагерцовыми импульсами. Обычно импульсы проходят вдоль одного направления (коллинеарная геометрия).

Для исследования непрозрачного купратного сверхпроводника La_1.83Sr_0.17CuO₄ команда исследователей впервые применила двумерную терагерцовую спектроскопию (2DTS) в неколлинеарной геометрии. Это позволило выделить конкретные терагерцовые нелинейности по направлению их излучения.

С помощью метода 2DTS с угловым разрешением учёные обнаружили, что сверхпроводящий транспорт в купрате восстанавливается после возбуждения терагерцовыми импульсами. Это явление назвали «джозефсоновским эхом».

Оказалось, что беспорядок в сверхпроводящем транспорте значительно меньше, чем в сверхпроводящим зазоре. Метод 2DTS позволил измерить беспорядок вблизи температуры сверхпроводящего перехода и обнаружить, что он остаётся стабильным вплоть до 70% от температуры перехода.

Исследователи не только лучше поняли свойства купратных сверхпроводников, но и увидели перспективы для новых исследований.

2DTS с угловым разрешением можно применять к другим сверхпроводникам и квантовым материалам. Сверхбыстрая природа 2DTS позволяет использовать его для изучения переходных состояний материи, которые слишком кратковременны для обычных зондов беспорядка.

16.09.2024