Исследователи из Института Макса Планка (MPSD) в Гамбурге и Брукхейвенской национальной лаборатории в США предложили новый метод изучения беспорядка в сверхпроводниках с помощью терагерцовых световых импульсов.
Применив адаптированные методы ядерного магнитного резонанса к терагерцовой спектроскопии, команда впервые смогла проследить эволюцию беспорядка в транспортных свойствах материала до температуры сверхпроводящего перехода. Исследование опубликовано в Nature Physics.
В данном контексте беспорядок относится к физике конденсированного состояния, касаясь неупорядоченных структурных и поведенческих флуктуаций в сверхпроводниках, таких как случайное распределение атомов, дефекты в кристаллической решетке, случайные температурные или давлением изменения, и неравномерное распределение электронов. Изучение беспорядка крайне сложно, но его роль имеет огромное значение. Например, свойства высокотемпературных сверхпроводников сильно зависят от химического состава материала.
Методы, применяемые для измерения беспорядка и его влияния, такие как сканирующая туннельная микроскопия, работают только при очень низких температурах и не учитывают эти явления вблизи температуры перехода.
Сверхпроводимость — квантовое явление, позволяющее электрическому току течь без сопротивления, — является одним из ключевых феноменов в физике конденсированного состояния благодаря своему значительному технологическому потенциалу.
Многие материалы, приобретая сверхпроводящие свойства при так называемых «высоких температурах» (-170°C), такие как купратные сверхпроводники, изменяются вследствие химического легирования, которое вносит беспорядок. Однако влияние химического изменения на сверхпроводящие свойства остаётся не до конца выясненным. Купратные сверхпроводники, содержащие медь (Cu) и кислород (O) в своей структуре, многообещающие материалы, требуют дальнейших исследований для решения существующих проблем.
В сверхпроводниках и других конденсированных системах беспорядок обычно исследуется с помощью экспериментов с точным пространственным разрешением, например, используя чрезвычайно острые металлические наконечники. Однако такие эксперименты ограничиваются температурами жидкого гелия, значительно ниже температуры перехода, что затрудняет изучение основополагающих вопросов.
Вдохновляясь методами многомерной спектроскопии, изначально разработанными для ядерного магнитного резонанса, а затем химиками адаптированными к видимым и ультрафиолетовым частотам для изучения молекулярных и биологических систем, исследователи из MPSD расширили эти методы до терагерцового диапазона, в котором резонируют коллективные моды твёрдых тел.
Метод основан на последовательном возбуждении материала несколькими интенсивными терагерцовыми импульсами, обычно в коллинеарной геометрии, где импульсы распространяются в одном направлении.
Для изучения купратного сверхпроводника La1,83Sr0,17CuO4 — непрозрачного для света материала — группа разработала схему двумерной терагерцовой спектроскопии (2DTS) в неколлинеарной геометрии, что позволило изолировать определённые терагерцовые нелинейности по направлению их излучения.
Используя эту 2DTS технологию с угловым разрешением, исследователи обнаружили, что сверхпроводящий транспорт в купрате восстанавливался после возбуждения терагерцовыми импульсами, явление, названное ими «эхо Джозефсона».
Эти «эхо» показали, что беспорядок в сверхпроводящем транспорте был значительно меньше, чем беспорядок в сверхпроводящей щели, измеренный с помощью пространственно-разрешённых методов, таких как сканирующая микроскопия.
Более того, универсальность метода 2DTS позволила впервые измерить беспорядок вблизи температуры сверхпроводящего перехода и обнаружить, что он сохранялся стабильным до 70% от температуры перехода.
Исследование не только углубляет наше понимание свойств купратных сверхпроводников, но и открывает новые направления исследований. Метод 2DTS с угловым разрешением может быть применён к другим сверхпроводникам и квантовым материалам, а его сверхбыстрая природа делает его полезным для изучения переходных состояний материи, которые слишком кратковременны для стандартных методов исследования беспорядка.
Источник: iXBT
