Учёные впервые приблизились к фундаментальному пределу тока в сверхпроводниках

Сверхпроводники — одни из самых удивительных материалов в квантовой физике. При охлаждении ниже определённой температуры их электрическое сопротивление исчезает, и ток течёт без потерь энергии на нагрев. Это происходит благодаря образованию коррелированных пар электронов — так называемых пар Купера, которые движутся коллективно, подобно волне.

Однако сверхпроводимость не выдерживает неограниченного тока. Когда ток становится слишком большим, сверхпроводящее состояние начинает разрушаться. Критический ток материала описывает максимальную силу тока до появления сопротивления и потерь энергии.

В сверхпроводниках II рода измеренный в экспериментах критический ток часто не отражает истинный микроскопический предел самой сверхпроводимости. Вместо этого разрушение обычно вызывается движением вихрей — крошечных областей, через которые магнитный поток проникает в материал. С ростом тока вихри начинают двигаться, создавая сопротивление и выделяя тепло, что в итоге уничтожает сверхпроводящее состояние.

На самом деле сверхпроводники обладают более высоким фундаментальным пределом — так называемым током распаривания. «Это можно представить так: ток "закручивает" фазу когерентного квантового состояния сверхпроводника, словно наматывая пружину», — объясняет Эрин Ван, ведущий автор исследования. Если закрутить квантовое состояние слишком сильно, оно становится нестабильным, и пары Купера начинают распадаться. Обычные измерения на постоянном токе редко достигают этого внутреннего предела, поскольку движущиеся вихри и нагрев разрушают сверхпроводимость раньше.

Исследователи разработали способ обойти эту проблему, подавая чрезвычайно короткие импульсы тока. «Наша стратегия заключалась в том, чтобы обогнать динамику вихрей», — говорит Эрин Ван. Вихри могут двигаться со скоростью десятков километров в секунду, но за пикосекунду они смещаются лишь на десятки нанометров. Подавая ток на предельно короткое время, можно довести плотность тока до очень высоких значений прежде, чем вихри успеют заметно сместиться или нагреть материал. Это резко снижает потери энергии от движения вихрей и позволяет приблизиться к фундаментальному пределу тока.

Для создания таких коротких импульсов команда использовала сверхбыструю платформу электрического транспорта, разработанную в MPSD. «Чтобы подавать ток на сверхпроводники всего на несколько пикосекунд, мы использовали сверхбыструю платформу электрического транспорта, которую разрабатываем в нашем институте», — говорит Гвидо Майер, соавтор исследования. Система использует фотопроводящие переключатели, запускаемые зелёными лазерными импульсами длительностью 300 фемтосекунд с длиной волны 515 нанометров. Активированные переключатели создают электрические импульсы длительностью всего несколько пикосекунд, которые проходят по копланарному волноводу и затем через сверхпроводящие образцы размером всего в несколько микрометров.

Исследователи протестировали два материала — NbN и YBCO, представляющие принципиально разные формы сверхпроводимости. NbN имеет относительно однородную сверхпроводящую энергетическую щель (s-волна), тогда как у YBCO щель сильно меняется в зависимости от направления (d-волна). Изучение обоих материалов позволило выяснить, как микроскопическая структура сверхпроводящего состояния влияет на поведение при экстремально сильных сверхбыстрых токах.

NbN оставался сильно сверхпроводящим до достижения чёткого порога, значительно превышающего его обычный критический ток на постоянном токе. После прохождения этой точки отклик материала резко менялся — признак того, что пары Купера начали распадаться. YBCO повёл себя иначе: вместо стабильности с последующим резким срывом его сверхпроводящее состояние постепенно ослабевало с ростом тока. Исследователи связывают это различие с разной внутренней структурой материалов. В NbN энергетическая щель почти одинакова во всех направлениях, а в YBCO она значительно варьируется и полностью исчезает вдоль определённых направлений, что позволяет сверхпроводимости ослабевать постепенно, а не обрушиваться при одном чётком пороге.

«Наши результаты показывают, что пикосекундный транспорт может дать доступ к микроскопическим свойствам сверхпроводников, включая симметрию их щели, которые напрямую недоступны при обычном транспорте на постоянном токе», — говорит Андреа Каваллери, руководитель исследовательской группы.

Учёным предстоит изучить более широкий круг сверхпроводящих материалов, чтобы определить, насколько универсальна эта связь. В целом результаты демонстрируют, что сверхкороткие электрические импульсы способны выявлять формы сверхпроводящего транспорта, обычно скрытые более медленными эффектами — движением вихрей и нагревом. Работая на временных масштабах, сопоставимых с масштабами самого сверхпроводящего состояния, учёные могут получить новые способы исследования и управления этими квантовыми материалами. Этот новый режим сверхпроводимости при сверхвысоких токах может также найти применение в оптоэлектронике и потенциально в магнитных устройствах.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом структуры и динамики материи Общества Макса Планка.

E. Wang, M. Chavez-Cervantes, J. Satapathy, T. Matsuyama, G. Meier, X. Zhang, L. You, F. Marijanovic, J. B. Curtis, E. Demler, A. Cavalleri. Probing picosecond depairing currents in type-II superconductors. Nature Physics, 2026; DOI: 10.1038/s41567-026-03469-z