Физикам из Института структуры и динамики материи Общества Макса Планка удалось обойти это ограничение. Они пропустили через сверхпроводники ток импульсами длительностью всего несколько пикосекунд и добрались до режима, который при обычных измерениях остаётся недоступным.

Работа опубликована в Nature Physics.

Почему обычный критический ток — не настоящий предел

В сверхпроводниках второго рода магнитное поле проникает в материал в виде крошечных вихрей магнитного потока — вихрей Абрикосова.

Пока они остаются на месте, ток течёт без сопротивления. Но при увеличении его силы вихри начинают двигаться. Появляется сопротивление, материал нагревается и в итоге теряет сверхпроводящие свойства.

Именно этот момент обычно и фиксируют как критический ток.

При этом сами куперовские пары — связанные электроны, благодаря которым существует сверхпроводимость, — могли бы выдержать ещё большую нагрузку. Их собственный предел называют током распаривания. Добраться до него обычным постоянным током сложно: движение вихрей и нагрев начинаются раньше.

Исследователи решили выиграть у вихрей во времени.

Пикосекундные импульсы решили проблему

Вихри могут двигаться со скоростью в десятки километров в секунду, но даже при такой скорости за несколько пикосекунд они проходят всего десятки нанометров.

Физики сформировали сверхкороткий электрический импульс и успели резко увеличить ток до того, как вихри начали заметно перемещаться и нагревать образец.

Первым испытали нитрид ниобия — NbN. При температуре 7 К, или около −266 °C, его обычная критическая плотность тока составляла примерно 100 ГА/м².

С короткими импульсами сверхпроводимость сохранилась далеко за этой отметкой.

Только примерно при 220 ГА/м², или 22 миллионах ампер на квадратный сантиметр, состояние начало резко разрушаться. Это примерно в 2,2 раза выше обычного критического значения.

На этот раз причиной были уже не магнитные вихри. Ток достиг уровня, при котором начали распадаться сами куперовские пары.

Именно этот момент и соответствует фундаментальному пределу сверхпроводящего состояния.

Второй сверхпроводник повёл себя иначе

Затем физики проверили высокотемпературный сверхпроводник YBCO — соединение иттрия, бария, меди и кислорода.

При температуре 50 К его обычная критическая плотность тока была чуть ниже 50 ГА/м². Но резкой границы, похожей на NbN, исследователи не увидели.

По мере увеличения тока сверхпроводимость YBCO ослабевала постепенно.

Такое различие связано с внутренним устройством двух материалов. У NbN энергетическая щель сверхпроводящего состояния почти одинакова во всех направлениях. Поэтому куперовские пары держатся до определённой границы, после которой начинается резкий распад.

У YBCO эта энергия сильно зависит от направления и в некоторых направлениях вообще становится нулевой. Поэтому пары начинают разрушаться постепенно.

Это оказалось важным результатом самого эксперимента: по реакции материала на сверхкороткий ток можно судить о том, как устроено его сверхпроводящее состояние.

Что удалось увидеть впервые

Пикосекундные импульсы фактически убрали помеху, которая десятилетиями мешала таким измерениям.

Обычный эксперимент показывает момент, когда приходят в движение магнитные вихри. Новый метод позволяет пройти дальше и увидеть, когда уже сама сверхпроводимость больше не может существовать.

Теперь исследователи хотят проверить такой подход на других материалах. Он может стать новым способом изучать свойства сверхпроводников, которые сложно получить обычными измерениями, — в том числе структуру их энергетической щели.

Авторы также рассматривают сверхкороткие токи как возможный способ создавать мощные магнитные импульсы чрезвычайно малой длительности.