Пикосекундные импульсы довели сверхпроводники до предела разрушения пар Купера

Импульс тока длиной около двух пикосекунд проскакивает сквозь сверхпроводник раньше, чем успевают сдвинуться магнитные вихри. Это дало группе Андреа Каваллери из Института структуры и динамики материи Общества Макса Планка в Гамбурге редкую возможность: довести сверхток до внутреннего предела, на котором начинают распадаться пары Купера. Работа вышла 24 сентября 2026 года в Nature Physics (DOI: 10.1038/s41567-026-03469-z), о ней сообщил институт.

Постоянный ток упирается в предел куда раньше. В сверхпроводниках второго рода критическая плотность тока Jc задаётся не самой физикой спаривания электронов, а тем, насколько крепко дефекты материала держат вихри — крошечные области, через которые внутрь проникает магнитный поток. Как только сила Лоренца срывает вихрь с места, тот начинает двигаться, появляется сопротивление и нагрев, и образец переходит в нормальное состояние. До настоящего предела разрушения пар дело не доходит.

Авторы обошли этот механизм временем. Вихрь движется со скоростью порядка десятков километров в секунду, но за пикосекунду смещается лишь на десятки нанометров. Импульс длительностью около 2 пс (по полувысоте) просто не оставляет вихрям времени на разгон и нагрев. Токовые импульсы запускали, засвечивая фотопроводящие переключатели фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 515 нм; импульс шёл по копланарному волноводу через образец размером примерно 10 на 30 мкм. Все измерения проводили при нулевом охлаждении в поле, а внешнее магнитное поле двойным экранированием снижали ниже 1 мкТл.

Два сверхпроводника ведут себя по-разному

Сравнили два материала с разной симметрией сверхпроводящей щели. Плёнка NbN толщиной около 20 нм (критическая температура примерно 15 K) представляет s-волновой сверхпроводник: щель почти одинакова во всех направлениях. Плёнка YBCO толщиной около 50 нм (критическая температура примерно 85 K) — d-волновой сверхпроводник: щель сильно зависит от направления и обращается в нуль вдоль определённых осей.

В NbN нормированное пиковое поле проходящего импульса оставалось постоянным выше обычной критической плотности тока, а затем резко падало примерно при 2,2×Jc, то есть около 220 ГА/м². Такой порог согласуется с микроскопическими расчётами по теории Бардина — Купера — Шриффера. В YBCO никакого резкого порога не было: сверхпроводимость слабела постепенно и непрерывно, ещё до достижения Jc и после него, без локального максимума. Авторы связывают это с d-волновой симметрией щели: в такой системе нет чётко определённой плотности тока, выше которой пары начинают распадаться, — частичное разрушение идёт постоянно.

Представим условный образец с однородной щелью. Пока ток слабый, он несёт сверхпроводящую компоненту, и потери малы. По мере роста тока энергия квазичастиц сдвигается относительно щели; когда сдвиг сравнивается со щелью, пары распадаются, и отклик меняется скачком. Если бы щель в одних направлениях была шире, а в других уже, распад начинался бы раньше в «узких» направлениях и шёл бы постепенно — именно это и наблюдается в YBCO.

У метода есть границы. Симуляции по теории БКШ не полностью воспроизводят поведение отклика при приближении к нормальному состоянию — возможно, из-за дополнительных каналов релаксации, например фононных, не включённых в модель. Для YBCO количественной микроскопической теории купратов нет даже в равновесии, поэтому авторы использовали качественный подход на основе зависящей от времени теории Гинзбурга — Ландау. Монокристалличность плёнок тоже важна: в поликристаллических образцах нелинейный отклик определяют фазовые скольжения на границах зёрен, и внутридоменное разрушение пар увидеть не удаётся. Изучены пока только два материала.

Практический смысл — в самой возможности зондировать симметрию щели там, где спектроскопические методы не работают, и в перспективе получать сверхкороткие сильные импульсы магнитного поля. Для студентов и аспирантов, которым предстоит разбирать подобные статьи и писать по ним научные статьи, полезно держать в голове разделение: наблюдаемая связь между длительностью импульса и порогом распада пар, причина этой связи в динамике вихрей и возможное применение — это три разных утверждения, и в тексте их стоит разводить.