Сверхпроводимость – это одно из самых загадочных, замечательных и перспективных явлений. Сверхпроводящие материалы, не имеющие электрического сопротивления, могут проводить ток практически без потерь, и это явление уже используется в практических целях в некоторых областях, к примеру, в магнитах установок ядерной томографии или ускорителей частиц. Однако, существующие сверхпроводящие материалы для того, чтобы обрести свои свойства, должны быть охлаждены до крайне низких температур. Но эксперименты, проведенные учеными в течение этого и прошлого года, привели к получению некоторых неожиданных результатов, которые могут изменить положение, в котором находятся сейчас технологии использования сверхпроводников.
Международная группа ученых, возглавляемая учеными из института Структуры и динамики материи Макса Планка (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter), работая с одним из самых перспективных материалов – высокотемпературным сверхпроводником окисью меди-бария-иттрия (YBa2Cu3O6+x, YBCO), обнаружила, что воздействие на этот керамический материал импульсов света инфракрасного лазера заставляет некоторые атомы этого материала кратковременно изменить свое положение в кристаллической решетке, увеличивая проявление эффекта сверхпроводимости.
Кристаллы соединения YBCO имеют весьма необычную структуру. Снаружи этих кристаллов присутствует слой окиси меди, покрывающий собой промежуточные слои, в которых содержатся барий, иттрий и кислород. Эффект сверхпроводимости при облучении светом лазера возникает именно в верхних слоях окиси меди, в которых происходит интенсивное формирование пар электронов, так называемых пар Купера. Эти пары могут перемещаться между слоями кристалла за счет эффекта туннелирования, и это указывает на квантовую природу наблюдаемых эффектов. И в обычных условиях кристаллы YBCO становятся сверхпроводниками только при температуре, ниже критической точки этого материала.
В экспериментах, проведенных в 2013 году, ученые обнаружили, что освещение кристалла YBCO импульсами мощного инфракрасного лазера заставляет материал кратковременно становиться сверхпроводником и при комнатной температуре. Очевидно, что лазерный свет оказывает влияние на сцепление между слоями материала, хотя механизм этого влияния остается пока еще не до конца ясным. И для выяснения всех подробностей происходящего ученые обратились к возможностям лазера LCLS, самого мощного на сегодняшний день рентгеновского лазера.
“Мы начали “бить” по материалу импульсами инфракрасного света, который возбудил некоторые из атомов, заставив их колебаться с достаточно сильной амплитудой” – рассказывает Роман Манковский (Roman Mankowsky), ученый-физик из института Макса Планка, – “Затем мы использовали импульс рентгеновского лазера, следующий сразу за импульсом инфракрасного лазера, для измерения точного значения смещений, произошедших в кристаллической решетке”.
Полученные результаты показали, что импульс инфракрасного света не только возбудил и заставил колебаться атомы, его воздействие привело к смещению из положения в кристаллической решетке. Это сделало на очень кроткое время меньшим расстояние между слоями оксида меди и другими слоями кристалла, что в свою очередь привело к увеличению проявления эффекта квантового сцепления между ними. В результате этого кристалл становится сверхпроводником при комнатной температуре, правда это его состояние способно держаться всего несколько пикосекунд времени.
“Полученные нами результаты позволят нам внести некоторые изменения и усовершенствовать существующую теорию высокотемпературных сверхпроводников. Кроме этого, наши данные окажут неоценимую помощь ученым-материаловедам, разрабатывающим новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы, имеющие высокое значение критической температуры” – рассказывает Роман Манковский, – “И, в конечном счете, все это, я надеюсь, приведет к осуществлению мечты о сверхпроводящем материале, работающем при комнатной температуре, который совершенно не нуждается в охлаждении. А появление такого материала, в свою очередь, сможет обеспечить массу прорывов в великом множестве других областей, использующих в своих интересах явление сверхпроводимости”.