Ученые из Института Макса Планка в Гамбурге и Брукхейвенской национальной лаборатории в США разработали новый метод исследования хаоса в сверхпроводниках с помощью терагерцовых световых импульсов.
Впервые удалось отследить изменение упорядоченности в свойствах проводимости материалов до температуры сверхпроводящего перехода, адаптировав методы ядерного магнитного резонанса для терагерцовой спектроскопии.
В физике конденсированного состояния речь идёт о беспорядке в структуре и поведении сверхпроводников.
Появление случайных флуктуаций в системе, таких как неравномерное распределение атомов или молекул, дефекты кристаллической структуры, случайные изменения температуры или давления, а также неравномерное распределение электронов, существенно влияет на свойства материалов. Изучение этого беспорядка сопоставимо по трудности с его важностью для физики. Например, свойства высокотемпературных сверхпроводников зависят от изменений химического состава твердого тела.
Методы измерения беспорядка и его влияния на свойства, например, сканирующую туннельную микроскопию, эффективны только при крайне низких температурах и не отражают физику вблизи температуры фазового перехода.
Сверхпроводимость, квантовое явление, при котором электрический ток протекает без сопротивления, играет ключевую роль в физике конденсированных состояний из-за своегоtransforming воздействия на технологии.
Многие материалы, становящиеся сверхпроводящими при так называемых «высоких температурах» (примерно -170°C), например купратные сверхпроводники, приобретают свойства благодаря химическому легированию, которое вносит хаос. Точное влияние этого химического изменения на сверхпроводящие свойства остаётся неясным. Купратные сверхпроводники — тип сверхпроводников, содержащих медь и кислород. Материалом предстоит дальнейшая работа для решения проблем и ограничений, но у него большой потенциал для использования в различных областях.
В сверхпроводниках и конденсированных системах порядок обычно исследуют экспериментально с высоким пространственным разрешением, например, при помощи очень острых металлических наконечников. Чувствительность таких экспериментов ограничивает их использование температурами жидкого гелия, значительно ниже температуры сверхпроводящего перехода, что препятствует изучению многих фундаментальных вопросов, связанных непосредственно с самим переходом.
Вдохновляясь методами многомерной спектроскопии, изначально примененными к ядерному магнитному резонансу и затем адаптированным химиками для исследования молекул и биосистем в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, исследователи MPSD расширили этот класс методов до терагерцового диапазона частот, где резонируют коллективные моды твердых тел.
Метод основан на последовательном воздействии на материал несколькими мощными терагерцевыми импульсами, обычно в коаксиальной конфигурации, где импульсы движутся одним направлением.
Группа расширила стандартную схему для исследования непрозрачного купратного сверхпроводника La₁.₈₃Sr₀.₁₇CuO₄, пропускающего минимальное количество света. Для этого исследователи впервые применили двумерную терагерцовую спектроскопию (2DTS) в неколлинеарной геометрии, что позволило им изолировать определенные терагерцовые нелинейности по направлению их излучения.
Исследователи с помощью технологии 2DTS с угловым разрешением увидели, что сверхпроводящий ток в купрате восстанавливается после воздействия терагерцовыми импульсами. Это явление названо «эхо Джозефсона».
«Эхо» продемонстрировали, что уровень не порядка в суперпроводящем транспорте был существенно меньше, чем не порядок, регистрируемый в суперпроводящей щели при помощи пространственно-разрешающих методик, например экспериментов с использованием сканирующей микроскопии.
Универсальность метода 2DTS с разрешением дала возможность команде впервые измерить беспорядок вблизи температуры сверхпроводящего перехода и обнаружить, что он сохраняется устойчивым до довольно высоких значений — 70% от температуры перехода.
Исследователи отметили, что эти опыты не только расширяют понимание свойств купратных сверхпроводников, но и открывают путь многим направлениям. Применение 2DTS с угловым разрешением может быть расширено на другие сверхпроводники и квантовые материалы. Сверхбыстрота 2DTS позволяет изучать переходные состояния материи, слишком короткие для обычных методов исследования.