Czy światło może wywołać nadprzewodnictwo? Nowe badanie rozpala debatę

Krótkie podmuchy światła mogą zamienić niektóre materiały w ulotne nadprzewodniki. Nowe badanie wzmacnia argumenty za tym kontrowersyjnym twierdzeniem, wysuniętym po raz pierwszy ponad dziesięć lat temu. Choć niektórzy fizycy są o tym przekonani, inni pozostają sceptyczni.

Nadprzewodniki przesyłają prąd bez oporu, zwykle tylko w niskich temperaturach. Jednak od 2011 roku niektórzy naukowcy twierdzą, że niektóre materiały pod wpływem intensywnych, ultrakrótkich impulsów laserowych mogą na krótko stać się nadprzewodnikami w temperaturach znacznie przekraczających ich normalny limit, w tym temperaturę pokojową.

Poprzednie badania wykazały tymczasową zmianę współczynnika odbicia miedzianów, związków zawierających miedź i tlen, po naświetleniu światłem. Zmiana ta wskazywała na spadek oporu trwający zaledwie bilionowe części sekundy, czyli pikosekundy. Krytycy argumentowali, że zmiana może być spowodowana efektami innymi niż nadprzewodnictwo.

Nowe badanie potwierdza skuteczność. Jeden miedzian pod wpływem światła wyrzuca pola magnetyczne, jak donosi fizyk Andrea Cavalleri i współpracownicy z 10 lipca w czasopiśmie Nature. Twierdzą, że to wydalanie jest cechą charakterystyczną nadprzewodnictwa znanego jako efekt Meissnera (SN: 7/6/15).

Obserwacja jest „w zasadzie jednoznacznym dowodem nadprzewodnictwa” – mówi fizyk Dmitri Basov z Uniwersytetu Columbia, który nie był zaangażowany w badania.

Nie wszyscy są tak przekonani do nowego dzieła. „Widzą tę zmianę, która trwa około pikosekundy i nie jest od razu oczywiste, że to to samo, co efekt Meissnera” – mówi fizyk Steve Dodge z Uniwersytetu Simona Frasera w Burnaby w Kanadzie.

Nadprzewodniki cieszą się dużym zainteresowaniem fizyków, częściowo ze względu na ich potencjał technologiczny. Nadprzewodnik działający w wysokich temperaturach mógłby umożliwić na przykład bardziej wydajne przenoszenie mocy, potencjalnie oszczędzając ogromne ilości energii. Tajemnice wciąż skrywają to zjawisko. Miedziany są nadprzewodnikami w wyższych temperaturach niż większość i nadal nie jest w pełni zrozumiałe, dlaczego.

Naukowcy wiedzieli, że światło może zakłócać nadprzewodnictwo, ale pomysł, że światło może również je zrodzić, był nieoczekiwany i kontrowersyjny. A w poprzednich badaniach „rzeczy były nieco subiektywne, w pewnym sensie «pachniały» nadprzewodnikiem, ale… tak naprawdę nie można było być tego pewnym” – mówi Cavalleri z Instytutu Struktury i Dynamiki Materii Maxa Plancka w Hamburgu.

Zatem Cavalleri i współpracownicy skupili się na efekcie Meissnera. Badali rodzaj miedzianu zwany tlenkiem itru i baru i miedzi (YBCO). To klasa związków, które wcześniej wykazywały oznaki nadprzewodnictwa indukowanego światłem.

Jednak precyzyjny pomiar zmian pola magnetycznego w ciągu pikosekund nie jest łatwym zadaniem. „Żadna istniejąca technika nie pozwala na wykonanie takiego pomiaru” – mówi Cavalleri.

Zespół opracował schemat wykorzystujący kryształ fosforku galu umieszczony obok YBCO do pomiaru pól magnetycznych. W eksperymentach przeprowadzonych w istniejącym polu magnetycznym badacze uderzyli w YBCO laserem, a następnie przesłali drugi laser przez kryształ. Podróż przez kryształ zmieniła polaryzację lasera – orientację jego fal elektromagnetycznych – w sposób podyktowany polem magnetycznym wewnątrz kryształu. Efekt ten pozwolił zespołowi określić, jak zmieniało się pole magnetyczne w pobliżu YBCO podczas bombardowania go światłem o temperaturze zwykle przekraczającej granicę nadprzewodnictwa YBCO.

Gdyby YBCO stał się nadprzewodnikiem, wyrzuciłby z wnętrza pola magnetyczne w wyniku efektu Meissnera. Spowodowałoby to silniejsze pole magnetyczne na krawędzi YBCO i właśnie to odkrył zespół. Pomiary musiały zostać wykonane niezwykle szybko, aby uchwycić krótkotrwały efekt Meissnera, mówi Basov. „To genialny pomysł i genialne wykonanie”.

Fizyk Nan-Lin Wang z Uniwersytetu w Pekinie jest przekonana, że ​​pola magnetyczne są wyrzucane, gdy impuls lasera uderza w YBCO. Nie jest jednak jasne, czy oznacza to nadprzewodnictwo w zwykłej definicji. Może to być wynikiem wzmocnienia istniejących wcześniej prądów nadprzewodzących o małej skali, a nie typowego nadprzewodnictwa na dużą skalę. „Podstawowa fizyka może być bardzo skomplikowana” – mówi.

Dodge twierdzi jednak, że przyczyną może być coś innego niż nadprzewodnictwo. Zauważa, że ​​przy dużym natężeniu światła mogą wystąpić złożone i nieoczekiwane zjawiska. „Chciałbym zobaczyć… uważną analizę, aby upewnić się, że nie pomylili jakiegoś innego efektu z efektem Meissnera”. Nie jest jasne, co dokładnie kryje się za zmianą pola magnetycznego, mówi Dodge. Chociaż nadal jest sceptyczny wobec twierdzeń o nadprzewodnictwie, twierdzi, że „to wartościowy eksperyment, ponieważ rodzi pewne pytania, na które z pewnością nie znam odpowiedzi”.