Supervodič probio granicu brzine: kvantni vrtlozi nisu stigli zaustaviti struju

Supervodiči mogu provoditi električnu struju bez otpora, ali samo dok se nalaze u osjetljivoj ravnoteži. Preniska temperatura, prejako magnetsko polje ili prevelika struja mogu ih izbaciti iz tog stanja. Istraživači su sada razvili način da u vrlo kratkom vremenu ispitaju koliko struja zapravo može biti velika prije nego što se raspadnu parovi elektrona koji nose supervodljivost.

U središtu je takozvana granica razdvajanja. U supervodiču se elektroni ponašaju kao Cooperovi parovi. Oni mogu prolaziti kroz materijal bez uobičajenog gubitka energije, ali ako je pobuda dovoljno snažna, parovi se razdvajaju i supervodljivo stanje nestaje. Taj se trenutak teško mjeri klasičnim istosmjernim pokusom jer ga često preduhitre drugi procesi.

Kod supervodiča tipa II magnetsko polje može prodrijeti u materijal kroz sitne vrtloge električne struje. Ti se kvantni vrtlozi mogu zamisliti kao mikroskopske strukture koje se kreću kroz materijal. Kada struja postane prejaka, vrtlozi se počinju pomicati, stvaraju otpor i toplinu, a supervodič prestaje raditi bez gubitaka.

Istraživači su zato pokušali „pobjeći“ dinamici vrtloga. Koristili su zelene laserske impulse koji su trajali samo 300 femtosekundi, odnosno 300 bilijuntinki milijuntinke sekunde. Optički impuls pretvoren je u električni impuls trajanja nekoliko pikosekundi. To je dovoljno brzo da vrtlozi ne stignu razviti uobičajeni otpor i zagrijavanje.

U pokusu su uspoređeni niobijev nitrid i materijal iz obitelji itrij-barij-bakrenih oksida, poznat kao YBCO. Razlikuju se po simetriji energetskog procjepa koji određuje koliko je energije potrebno da se Cooperovi parovi razdvoje. Niobijev nitrid ima s-valnu simetriju, dok YBCO ima d-valnu.

Niobijev nitrid ostao je u supervodljivom stanju sve do jasno određene granice struje. Ta je granica bila viša od one koju bi istraživači mogli dobiti konvencionalnim istosmjernim mjerenjem. Kada je prag dosegnut, Cooperovi parovi raspali su se i supervodljivost je naglo nestala. YBCO se ponašao drukčije: njegovo je stanje slabilo postupnije.

Razlika proizlazi iz unutarnje strukture energetskog procjepa. Kod s-valne simetrije procjep je jednak u svim smjerovima prostora količine gibanja. Kod d-valne simetrije njegova se veličina mijenja, a u određenim smjerovima može i nestati. Zbog toga se dva materijala ne raspadaju na isti način pod ultrabrzom pobudom.

Rezultat nije stvaranje supervodiča koji radi na sobnoj temperaturi. Materijali su i dalje zahtijevali vrlo niske temperature, a ultrabrzi impulsi nisu praktična zamjena za svakodnevnu elektroniku. Vrijednost pokusa je drugdje: omogućuje mjerenje unutarnjih svojstava koja su skrivena kada se materijal promatra sporijim metodama.

Takav pristup mogao bi se primijeniti na veći broj supervodiča i pomoći u razumijevanju njihova ponašanja na najkraćim vremenskim skalama. Bolje poznavanje granica može biti važno za razvoj snažnijih magneta, kvantnih uređaja i tehnologija koje se oslanjaju na stabilnu supervodljivost.