Używanie terahercowy technologii impulsowej badacze znaleźli sposób na zbadanie zaburzeń w nadprzewodnikach w pobliżu ich krytycznych temperatur przejścia, potencjalnie zmieniając naszą wiedzę na temat tych materiałów i ich zastosowań.
Znaczeniu nieporządku w fizyce dorównuje jedynie trudność jego badania. Na przykład na niezwykłe właściwości nadprzewodników wysokotemperaturowych duży wpływ mają różnice w składzie chemicznym ciała stałego. Techniki umożliwiające pomiary takiego zaburzenia i jego wpływu na właściwości elektronowe, takie jak skaningowa mikroskopia tunelowa, działają tylko w bardzo niskich temperaturach i są ślepe na tę fizykę w pobliżu temperatury przejścia.
Teraz zespół naukowców z Instytutu Struktury i Dynamiki Materii im. Maxa Plancka (MPSD) w Niemczech oraz Laboratorium Narodowego Brookhaven w Stanach Zjednoczonych zademonstrował nowy sposób badania zaburzeń w nadprzewodnikach za pomocą terahercowych impulsów światła. Dostosowując metody stosowane w jądrowym rezonansie magnetycznym do spektroskopii terahercowej, zespół był w stanie po raz pierwszy prześledzić ewolucję zaburzeń we właściwościach transportowych aż do temperatury przejścia w nadprzewodnictwo.
Przełomowa technika w badaniach nadprzewodnictwa
Nadprzewodnictwo, zjawisko kwantowe umożliwiające przepływ prądu elektrycznego bez oporu, jest jednym z najważniejszych zjawisk w fizyce materii skondensowanej ze względu na jego transformacyjny wpływ technologiczny. Wiele materiałów, które stają się nadprzewodnikami w tak zwanych „wysokich temperaturach” (około -170°C), takich jak dobrze znane nadprzewodniki miedzianowe, swoje niezwykłe właściwości zawdzięcza domieszkowaniu chemicznemu, które wprowadza chaos. Jednak dokładny wpływ tej zmiany chemicznej na ich właściwości nadprzewodzące pozostaje niejasny.
W nadprzewodnikach i ogólnie w układach materii skondensowanej zaburzenia są zazwyczaj badane za pomocą eksperymentów charakteryzujących się precyzyjną rozdzielczością przestrzenną, na przykład przy użyciu wyjątkowo ostrych metalowych końcówek. Jednak czułość tych eksperymentów ogranicza ich zastosowanie do temperatur ciekłego helu, znacznie poniżej przejścia nadprzewodzącego, uniemożliwiając w ten sposób badanie wielu podstawowych pytań związanych z samym przejściem.
Rozwiązywanie zaburzeń za pomocą spektroskopii terahercowej
Czerpiąc inspirację z technik „wielowymiarowej spektroskopii” opracowanych początkowo dla jądrowego rezonansu magnetycznego, a później dostosowanych do częstotliwości optycznych w zakresie widzialnym i ultrafioletowym przez chemików badających układy molekularne i biologiczne, badacze MPSD rozszerzyli tę klasę technik na zakres częstotliwości terahercowych, gdzie mody zbiorowe ciał stałych rezonuje. Technika ta polega na sekwencyjnym wzbudzaniu interesującego materiału wieloma intensywnymi impulsami terahercowymi, zazwyczaj w geometrii współliniowej, w której impulsy przemieszczają się w tym samym kierunku.
Aby zbadać nadprzewodnik miedzianowy La1,83senior0,17CuO4 — nieprzezroczysty materiał przepuszczający minimalną ilość światła — zespół rozszerzył konwencjonalny schemat, wdrażając po raz pierwszy dwuwymiarową spektroskopię terahercową (2DTS) w geometrii niewspółliniowej, co umożliwiło badaczom wyizolowanie określonych nieliniowości terahercowych na podstawie kierunku ich emisji.
Ujawnianie spostrzeżeń dzięki 2DTS z rozdzielczością kątową
Z tym kątemDzięki technice 2DTS z rozdzielczością e-resolwent badacze zaobserwowali, że transport nadprzewodzący w miedzianie został wznowiony po wzbudzeniu impulsami terahercowymi, co nazwali „echem Josephsona”.
Co zaskakujące, te echa Josephsona ujawniły, że zaburzenie w transporcie nadprzewodzącym było znacznie mniejsze niż odpowiadające mu zaburzenie obserwowane w szczelinie nadprzewodzącej mierzone technikami rozdzielczymi przestrzennie, takimi jak eksperymenty z mikroskopią skaningową.
Co więcej, wszechstronność techniki 2DTS z rozdzielczością kątową umożliwiła zespołowi po raz pierwszy zmierzenie nieuporządkowania w pobliżu temperatury przejścia w nadprzewodnik, stwierdzając, że pozostaje ona stabilna aż do stosunkowo ciepłej temperatury przejścia wynoszącej 70%.
Przyszłe kierunki badań nadprzewodnikami
Oprócz głębszego zrozumienia zagadkowych właściwości nadprzewodników miedzianowych naukowcy podkreślają, że te pierwsze eksperymenty otwierają drzwi do wielu ekscytujących przyszłych kierunków. Oprócz szerszego zastosowania 2DTS z rozdzielczością kątową do innych nadprzewodników i materiałów kwantowych, ultraszybki charakter 2DTS sprawia, że można go zastosować do przejściowych stanów materii, które są zbyt krótkotrwałe dla konwencjonalnych sond zaburzeń.
Odniesienie: „Badanie niejednorodnego nadprzewodnictwa miedzianowego metodą terahercowej spektroskopii echa Josephsona” A. Liu, D. Pavićević, MH Michael, AG Salvador, PE Dolgirev, M. Fechner, AS Disa, PM Lozano, Q. Li, GD Gu, E. Demler i A. Cavalleri, 16 września 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02643-5
