Længe leve superledning! Korte lysglimt med vedvarende effekt

Superledning – et materiales evne til at transmittere en elektrisk strøm uden tab – er en kvanteeffekt, trods mange års forskning, er stadig begrænset til meget lave temperaturer. Nu er det lykkedes et team af forskere ved MPSD at skabe en metastabil tilstand med forsvindende elektrisk modstand i et molekylært fast stof ved at udsætte det for finjusterede pulser af intenst laserlys. Denne effekt var allerede blevet påvist i 2016 i meget kort tid, men i en ny undersøgelse har forfatterne af papiret vist en langt længere levetid, næsten 10.000 gange længere end før. De lange levetider for lysinduceret superledning lover godt for applikationer inden for integreret elektronik. Forskningen af ​​Budden et al. er udgivet i Naturfysik .

Superledning er et af de mest fascinerende og mystiske fænomener i moderne fysik. Den beskriver det pludselige tab af elektrisk modstand i visse materialer, når de afkøles under en kritisk temperatur. Imidlertid, behovet for en sådan køling begrænser stadig den teknologiske anvendelighed af disse materialer.

I de seneste år, forskning fra Andrea Cavalleris gruppe ved MPSD har afsløret, at intense pulser af infrarødt lys er et levedygtigt værktøj til at inducere superledende egenskaber i en række forskellige materialer ved meget højere temperaturer, end det ville være muligt uden foto-stimulering. Imidlertid, disse eksotiske tilstande har indtil videre kun bestået i nogle få picosekunder (billiontedele af et sekund), dermed begrænse de eksperimentelle metoder til at studere dem til ultrahurtig optik.

Der er rapporteret om et banebrydende fremskridt i denne uge. Forskere i Cavalleri-gruppen har nu formået at øge levetiden for en sådan lysinduceret superledende tilstand med mere end fire størrelsesordener i den organiske superleder K3C60, som er baseret på fullerener ('soccer ball'-molekyler dannet af 60 kulstofatomer). "Vi har opdaget en langvarig tilstand med forsvindingsmodstand ved en temperatur fem gange højere end den, hvor superledning sætter ind uden fotoexcitation, " siger hovedforfatter Matthias Budden, en ph.d.-studerende på forskningstidspunktet.

"Nøgleingrediensen for denne succes var vores udvikling af en ny type laserkilde, der kan producere høj intensitet, midt-infrarøde lysimpulser med afstembar varighed fra omkring et picosekund til et nanosekund, " tilføjer medforfatter Thomas Gebert. Den nye lasertype er baseret på synkronisering af højeffekt gaslasere med relativt lange nanosekundpulser til den ultrapræcise rytme af meget kortere solid-state laserimpulser.

Når så lange og intense pulser af infrarødt lys rammer et materiale, de kan fremkalde molekylære vibrationer, gitterforvrængninger og endda ændringer i den elektroniske konfiguration. I betragtning af kompleksiteten af ​​disse processer, det er ikke overraskende, at flere vidt forskellige teorier er blevet foreslået til at beskrive fysikken i lysforstærket superledning. Overraskende nok, Forfatterne opdagede i deres nye værk, at superledning varede i snesevis af nanosekunder efter foto-excitation. Disse betydeligt forlængede levetider for de superledende tilstande gjorde det muligt for holdet systematisk at studere materialernes elektriske modstand. Selvom en mikroskopisk beskrivelse af lysinduceret superledning i K ₃ C ₆₀ er stadig forsvundet, disse resultater repræsenterer et nyt benchmark for nuværende teorier.

"Mest vigtigt, " slutter Matthias Budden, "vores arbejde baner vejen for at presse eksperimenter på en foto-induceret Meissner-effekt og inspirerer til tanker om anvendelser af superledende kredsløb i integrerede enheder baseret på state-of-the-art højhastighedselektronik." Sådanne applikationer omfatter ekstremt følsomme magnetfeltsensorer, højtydende kvanteberegning og tabsfri kraftoverførsel. Mere generelt, takket være den nye tilgang med at kombinere længere mid-infrarøde excitationsimpulser med direkte målinger af elektroniske og magnetiske egenskaber, MPSD-teamet sigter mod at forbedre kontrollen og forståelsen af ​​de mange fascinerende fænomener i komplekse materialer.