מוליכות-על הנגרמת על ידי אור: גבול חדש בפיזיקה קוונטית

חוקרים פיתחו שיטות לחקור ולנצל מוליכות-על במצבים לא-שיווי משקל, כגון אלו המושרים על ידי פולסי לייזר, בטמפרטורות גבוהות בהרבה ממה שפועלים מוליכים מסורתיים.

הוכח כי מוליכות-העל המושרה על ידי אור משכפלת מאפיינים חיוניים כמו אפס התנגדות חשמלית וגירוש שדות מגנטיים, דבר המצביע על יישומים פוטנציאליים במכשירים מהירים והרחבת מוליכות-על לטמפרטורות הסביבה.

מוליכות-על היא תופעה יוצאת דופן המאפשרת לחומר לשאת זרם חשמלי עם אפס אובדן. התנהגות קוונטית קולקטיבית זו ייחודית למוליכים מסוימים ומתרחשת רק בטמפרטורות הנמוכות משמעותית מרמת החדר.

מספר מחקרים מודרניים חקרו התנהגות זו במה שנקרא מצבים שאינם שיווי משקל, כלומר במצבים בהם החומר נדחק משיווי משקל תרמי. בתנאים אלה, נראה שלפחות חלק מהתכונות של מוליכות-על ניתנות ליצירה מחדש אפילו בטמפרטורות הסביבה. מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה שאינה בשיווי משקל כזו, שהוכחה כקיימת תחת הקרנה עם דופק לייזר, עשויה להיות שימושית עבור יישומים שונים מאלה הצפויים עבור הגרסה הנייחת של מוליכות-על, כמו למשל בהתקנים מהירים הנשלטים על ידי פולסי לייזר.

מוליכות-על הנגרמת על ידי אור

תופעה זו כונתה "מוליכות-על הנגרמת על ידי אור", ומאותת אנלוגיה למקבילה בשיווי המשקל שלה.

גבול חשוב בעשור האחרון היה לאפיין את המאפיינים של מצב מוליך-על מושר אור כזה ולהבין עד כמה שלב זה משחזר את התכונות הידועות של מוליך-על קונבנציונלי.

מלבד היותם מסוגלים להעביר זרמים חשמליים ללא אובדן, ידוע שמוליכי-על מוציאים שדות מגנטיים מבפנים שלהם. תופעה זו, המכונה בתנאי שיווי משקל כאפקט מייסנר, היא תוצאה ישירה של הקוהרנטיות ההדדית של נושאי המטען ושל נטייתם לצעוד במנעול. עם זאת, מדידת הוצאת שדות מגנטיים עבור מוליכות-על המושרה על ידי אור הייתה מאתגרת, מכיוון שההשפעה נמשכת רק לכמה פיקושניות (טריליון שניה), מה שהופך את זה לבלתי אפשרי למדוד שינויים בשדה מגנטי בדיוק.

פריצות דרך במדידות שדה מגנטי

צוות חוקרים במכון מקס פלנק למבנה ודינמיקה של החומר (MPSD) בהמבורג, גרמניה, בראשות אנדריאה קוואלרי, פיתח ניסוי חדש המסוגל לנטר את התכונות המגנטיות של מוליכים-על במהירויות מהירות מאוד. הם עבדו על YBa מוקרן בלייזר₂Cu₃O_6+xתרכובת שעבורה מוליכות-על סטטית נראית רק עד ל-200 מעלות בערך צֶלסִיוּס. "גילינו את YBa הנרגש בצילום₂Cu₃O_6.48בנוסף לכך שהוא כולל התנגדות כמעט אפסית, גם מוציא שדה מגנטי סטטי מבפנים שלו", אומר סבסטיאן פאבה, מחבר המאמר שפורסם כעת ב- טֶבַע.

תובנות לגבי התנהגות חומר תחת אור

ניסוי זה התאפשר על ידי הצבת גביש צופה בקרבת המדגם הנחקר ושימוש בו למדידת עוצמת השדה המגנטי המקומי. הגביש משקף שינויים בשדה המגנטי לשינויים במצב הקיטוב של דופק לייזר פמט שנייה. "בשל משך הזמן הקצר של דופק הבדיקה, אנו יכולים לשחזר את התפתחות הזמן של השדה המגנטי המקיף את ה-YBa₂Cu₃O_6.48מדגם עם רזולוציה של תת-פיקוס שנייה ורגישות חסרת תקדים", אומר ג'ובאני דה וקצ'י, אחד הכותבים המשותפים.

השלכות על חומרים מוליכים-על

"הוצאת השדה המגנטי המושרה בצילום שצפינו דומה בגודלה לזה שנמדד כאשר YBa₂Cu₃O_6+x יוצר מוליכות-על בשיווי משקל על-ידי קירור", מוסיפה עמית הסופר מישל בוזי. "זה מצביע על כך שהנעת החומר עשויה להיות אפילו דרך יעילה לקרב את תכונות המוליכות העל שלו לתנאי הסביבה", ממשיך מחבר שותף Gregor Jotzu, כיום חבר סגל ב-EPFL וראש המעבדה לחומרים קוונטיים דינמיים. כקונצנזוס על המקור המיקרוסקופי של מוליכות-על הנגרמת על ידי אור ב-YBa₂Cu₃O_6.48 עדיין חסר, תוצאות אלו מהוות אמת מידה חשובה לתיאוריות הנוכחיות.

פוטנציאל של מוליכות-על מרגשת בצילום

ב-YBA₂Cu₃O_6+x, סדר המוליך העל אינו נעלם לחלוטין מעל לטמפרטורת המעבר המוליכה בשיווי המשקל ונשאר סדר מוליך-על מקומי תנודתי, דומה במקצת למצב מופרע. התגליות פורצות הדרך הללו מצביעות על ריגוש צילום של YBa₂Cu₃O_6+xעם פעימות אור מותאמות ניתן להשתמש כדי לסנכרן את המצב המשתנה הזה ולהחזיר את הסדר המוליך בטמפרטורות גבוהות בהרבה מאלו שבהן החומר הופך להיות מוליך בשיווי משקל, כל הדרך לטמפרטורת החדר.

המחקר ב-MPSD קיבל תמיכה כספית מה- Deutsche Forschungsgemeinschaft באמצעות אשכול המצוינות CUI: הדמיה מתקדמת של החומר. ה-MPSD הוא חבר במרכז למדעי הלייזר האלקטרוני החופשי (CFEL), מיזם משותף עם DESY ואוניברסיטת המבורג. המחקר בוצע בשיתוף פעולה הדוק עם מדענים ממכון מקס פלנק לחקר מצב מוצק (MPI-FKF).