Процесс, который слишком быстр, чтобы его можно было измерить и проанализировать. Тем не менее, группа международных ученых не унывала и придумала своего рода очень сложную систему монтажа кинофильмов, которая позволила им впервые непосредственно наблюдать эффект, лежащий в основе высокотемпературной проводимости. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Physics в понедельник, 9 марта 2015 г.
Сверхпроводники обладают свойствами, которые делают их потенциально очень интересными для технологий (примеры применения включают поезда магнитной левитации). Однако путь к истинному применению необычных свойств этих сверхпроводников заблокирован тем фактом, что «классические» из них работают при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю, и, следовательно, неосуществимы. Сверхпроводники на основе оксида меди, благодаря более высокой рабочей температуре, более перспективны, но возможность синтеза сверхпроводников при температуре окружающей среды остается далекой целью. Главный барьер — непонимание механизма превращения оксидов меди в сверхпроводники.
Одна из основных проблем — понять, являются ли взаимодействия электронов внутри материала прямыми и мгновенными или опосредованы каким-то «запаздывающим» взаимодействием. Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно взглянуть на процесс «в реальной жизни», но, учитывая его необычную скорость, это далеко не так просто. «Разработанное нами решение основано на использовании сверхбыстрых световых импульсов длительностью 10 фемтосекунд, то есть 10 миллионов миллиардных долей секунды», — объясняет Клаудио Джаннетти из Католического университета Святого Сердца, который координировал исследование. «Чтобы иметь возможность проводить эти измерения, наши лаборатории разработали уникальное экспериментальное устройство, способное производить, использовать и измерять световые импульсы разных цветов длительностью менее 10 фемтосекунд», — добавляет Джулио Серулло, руководитель лабораторий сверхбыстрой спектроскопии Департамента Физика Миланского политехнического института.
Разработанный метод напоминает метод «высокоскоростной фотографии», изобретенный Идвердом Мейбриджем более 100 лет назад. «Знаменитые стробоскопические изображения или кинофильмы могут дать представление о том, что мы сделали», — объясняет Массимо Капоне, исследователь из SISSA в Триесте и среди авторов статьи. "Мейбридж, немного похожий на нас, делал фотографии быстро движущихся объектов, разбивая их движение на множество неподвижных кадров, прежде чем создавать те прекрасные изображения (которые стали значками), которые обеспечивают реконструкцию траектории движения. Мы сделали нечто очень похожее в крошечном временном (и пространственном) измерении, используя бесконечно короткие световые импульсы в качестве обтураторов, чтобы наблюдать сверхбыстрые изменения свойств сверхпроводника."
Ученые применили эту технику к различным семействам высокотемпературных сверхпроводников из оксида меди, тем самым преуспев в измерении того, что они определяют как «самый быстрый медленный процесс» в твердом теле, и их результаты подтверждают гипотезу о том, что взаимодействие электронов в этих сверхпроводниках опосредовано: спин электронов.
«В общем, взаимодействия электронов в твердом теле можно разделить на прямые взаимодействия, которые являются практически мгновенными, и« запаздывающие »взаимодействия, которые происходят, когда электроны взаимодействуют с другими частицами (бозоны, возникающие в результате возбуждения ионной сети или магнитных возбуждений). ", — объясняет Капоне. «Эти последние процессы считаются фундаментальными для возникновения сверхпроводимости, поскольку они образуют« клей », удерживающий электроны вместе в так называемых« куперовских парах », лежащих в основе самого явления сверхпроводимости."
«На сегодняшний день аналогичные эксперименты, проведенные с более низким временным разрешением, позволили получить доступ только к« медленным »процессам, связанным с взаимодействием электронов с колебаниями кристаллической сетки, образованной ионами (фононами)», — объясняет Серулло. «В этом исследовании мы впервые измерили спаривание электронов с другим семейством возбуждений, связанных со спином электрона и магнетизмом."
«Это сочетание, — заключает Джаннетти, — до сих пор было невозможно получить с помощью экспериментального анализа, потому что оно происходит за период всего 10 фемтосекунд. Наша методика и ее оригинальное использование открыли новое окно в сверхбыстрые процессы в высокотемпературных сверхпроводниках."