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长命超导!短暂的闪光并具有持续的冲击力(附原文) 精选

已有 3406 次阅读 2021-2-8 20:57 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

长命超导!短暂的闪光并具有持续的冲击力(附原文)

诸平 

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超导是一种量子效应,可以毫无无损耗地传输电能。但是,虽然经过多年的分析研究,都必须限制在非常低的温度条件之下。现在,来自德国、意大利和英国的科学家合作团队已经成功地通过将分子暴露于微调的强激光脉冲中,使其分子强电阻逐渐消失,从而使其形成了亚稳态而呈现出超导性。这种影响已经在2016年的很短时间内得到了证明,但是在一项崭新的研究中,论文的作者证明了更长的寿命,实际上比以前的寿命长了1万倍。光诱导超导的长寿命使其有望应用于集成电子技术。相关研究结果于202124日已在《自然物理学》(Nature Physics)杂志网站发表——M. BuddenT. GebertM. BuzziG. JotzuE. WangT. MatsuyamaG. MeierY. LaplaceD. PontiroliM. RiccòF. SchlawinD. Jaksch, A. Cavalleri. Evidence for metastable photo-induced superconductivity in K3C60. Nature Physics, Published: 04 February 2021, DOI: 10.1038/s41567-020-01148-1s41567-020-01148-1.pdf参与此项研究的有德国马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所(Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)、意大利帕尔马大学(Università degli Studi di Parma)以及英国牛津大学(University of Oxford)的科学家。

超导可能是时尚物理学中最迷人和最神秘的现象之一,它描述了某些材料在冷却到临界温度以下时突然失去电阻的现象。然而,这种冷却的需要仍然限制了这些材料的技术可用性。

近年来,马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所的安德里亚·卡瓦雷利(Andrea Cavalleri)小组的研究表明,强红外光脉冲是一种可行的工具,可以在更高的温度下诱导各种不同材料的超导性能,而不需要光刺激。然而,迄今为止,这些独特的状态仅持续了几皮秒(万亿分之一秒),因此将研究它们的实验方法限制在超快光学上。

据报道,2月初已经取得了突破性进展。安德里亚·卡瓦雷利小组的研究人员,现已设法将有机超导体K3C60的光诱导超导状态的寿命延长了4个数量级以上。上述论文第一作者马蒂亚斯·布登(Matthias Budden)博士说:我们发现了一种长寿命状态,其电阻消失的温度比超导在没有光激发的情况下开始时的温度高五倍。

合著者托马斯·格伯特(Thomas Gebert)补充说:成功的关键因素是我们开发了一种新型的激光源,该激光源可以产生高强度的中红外光脉冲,其持续可调时间从大约1皮秒(1 ps)到1纳秒(1 ns)之间。这种新型激光是基于具有较长纳秒脉冲的高功率气体激光与超精确节奏短得多的固态激光脉冲的同时性。

当如此长而强的红外光脉冲撞击织物时,会引起分子振动、晶格畸变、甚至连电子排布也产生变化。考虑到这些过程的复杂性,人们提出了几种截然不同的理论来描述光增强超导物理学也就不足为奇了。但是,令人惊讶的是,上述论文作者发现他们的新工作,在光激发后,超导性持续了数十纳秒。超导状态的显著延长,使工作人员能够系统地研究材料的电阻。虽然还没有对K3C60光诱导超导性的微观描述,但这些结果为当前的理论提供了新的基准。

马蒂亚斯·布登总结道:最重要的是我们的工作为光诱导的迈斯纳效应(Meissner effect)的紧迫实验铺平了道路,并激发了人们对基于最新高速电子设备的超导电路,在集成设备中应用的思考。” 这些功能包括极其精密的磁性区域传感器、高性能量子计算和无损能量传输等。

更普遍地说,由于将较长的中红外激发脉冲与电子和磁性能的直接测量相结合的新方法,研究者的目标是增强对复杂材料中众多引人入胜现象的管控和理解。更多信息请注意浏览原文

s41567-020-01148-1.pdf或者相关报道

Superconductivity: Footballs with no resistance

Abstract

Excitation of high-Tc cuprates and certain organic superconductors with intense far-infrared optical pulses has been shown to create non-equilibrium states with optical properties that are consistent with transient high-temperature superconductivity. These non-equilibrium phases have been generated using femtosecond drives, and have been observed to disappear immediately after excitation, which is evidence of states that lack intrinsic rigidity. Here we make use of a new optical device to drive metallic K3C60 with mid-infrared pulses of tunable duration, ranging between one picosecond and one nanosecond. The same superconducting-like optical properties observed over short time windows for femtosecond excitation are shown here to become metastable under sustained optical driving, with lifetimes in excess of ten nanoseconds. Direct electrical probing, which becomes possible at these timescales, yields a vanishingly small resistance with the same relaxation time as that estimated by terahertz conductivity. We provide a theoretical description of the dynamics after excitation, and justify the observed slow relaxation by considering randomization of the order-parameter phase as the rate-limiting process that determines the decay of the light-induced superconductor.



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