Wetenschap
Een infrarood laserpuls induceert supergeleiding bij hoge temperaturen in K3C60. Na een langdurige opwinding, deze door licht geïnduceerde toestand wordt vele nanoseconden metastabiel. Krediet:© Jörg Harms / MPSD
Supergeleiding - het vermogen van een materiaal om een elektrische stroom zonder verlies door te geven - is een kwantumeffect dat, ondanks jarenlang onderzoek, is nog steeds beperkt tot zeer lage temperaturen. Nu is een team van wetenschappers van de MPSD erin geslaagd een metastabiele toestand te creëren met verdwijnende elektrische weerstand in een moleculaire vaste stof door deze bloot te stellen aan fijn afgestemde pulsen van intens laserlicht. Dit effect was in 2016 al heel kort aangetoond, maar in een nieuwe studie hebben de auteurs van het artikel een veel langere levensduur aangetoond, bijna 10.000 keer langer dan voorheen. De lange levensduur van door licht geïnduceerde supergeleiding is veelbelovend voor toepassingen in geïntegreerde elektronica. Het onderzoek van Budden et al. is gepubliceerd in Natuurfysica .
Supergeleiding is een van de meest fascinerende en mysterieuze fenomenen van de moderne natuurkunde. Het beschrijft het plotselinge verlies van elektrische weerstand in bepaalde materialen wanneer ze onder een kritische temperatuur worden gekoeld. Echter, de noodzaak van een dergelijke koeling beperkt nog steeds de technologische bruikbaarheid van deze materialen.
In recente jaren, onderzoek door Andrea Cavalleri's groep bij de MPSD heeft aangetoond dat intense pulsen van infrarood licht een levensvatbaar hulpmiddel zijn om supergeleidende eigenschappen te induceren in een verscheidenheid aan verschillende materialen bij veel hogere temperaturen dan mogelijk zou zijn zonder fotostimulatie. Echter, deze exotische toestanden hebben tot nu toe slechts een paar picoseconden (biljoensten van een seconde) bestaan, waardoor de experimentele methoden om ze te bestuderen worden beperkt tot ultrasnelle optica.
Deze week is een baanbrekende vooruitgang gemeld. Onderzoekers van de Cavalleri-groep zijn er nu in geslaagd om de levensduur van zo'n door licht geïnduceerde supergeleidende toestand in de organische supergeleider K3C60 met meer dan vier ordes van grootte te verlengen. die is gebaseerd op fullerenen ('voetbal'-moleculen gevormd door 60 koolstofatomen). "We hebben een langlevende toestand ontdekt met verdwijnende weerstand bij een temperatuur die vijf keer hoger is dan die waarbij supergeleiding optreedt zonder foto-excitatie, " zegt hoofdauteur Matthias Budden, een promovendus op het moment van het onderzoek.
"Het belangrijkste ingrediënt voor dit succes was onze ontwikkeling van een nieuw type laserbron die hoge intensiteit, mid-infrarood lichtpulsen met instelbare duur van ongeveer één picoseconde tot één nanoseconde, ", voegt co-auteur Thomas Gebert toe. Het nieuwe lasertype is gebaseerd op de synchronisatie van krachtige gaslasers met relatief lange nanosecondenpulsen met het ultraprecieze ritme van veel kortere laserpulsen in vaste toestand.
Wanneer zulke lange en intense pulsen van infrarood licht een materiaal raken, ze kunnen moleculaire trillingen induceren, roostervervormingen en zelfs veranderingen in de elektronische configuratie. Gezien de complexiteit van deze processen, het is niet verwonderlijk dat er verschillende enorm verschillende theorieën zijn voorgesteld om de fysica van door licht versterkte supergeleiding te beschrijven. Verrassend genoeg, de auteurs ontdekten in hun nieuwe werk dat supergeleiding tientallen nanoseconden na foto-excitatie aanhield. Deze aanzienlijk verlengde levensduur van de supergeleidende toestanden stelde het team in staat om de elektrische weerstand van de materialen systematisch te bestuderen. Hoewel een microscopische beschrijving van door licht geïnduceerde supergeleiding in K 3 C 60 ontbreekt nog, deze resultaten vormen een nieuwe maatstaf voor de huidige theorieën.
"Het belangrijkste is, " Matthias Budden besluit, "Ons werk maakt de weg vrij voor dringende experimenten met een foto-geïnduceerd Meissner-effect en inspireert tot gedachten over toepassingen van supergeleidende circuits in geïntegreerde apparaten op basis van ultramoderne hogesnelheidselektronica." Dergelijke toepassingen omvatten extreem gevoelige magnetische veldsensoren, krachtige kwantumcomputers en verliesvrije krachtoverbrenging. Algemener, dankzij de nieuwe benadering van het combineren van langere mid-infrarode excitatiepulsen met directe metingen van elektronische en magnetische eigenschappen, het MPSD-team wil de beheersing en het begrip van de vele fascinerende fenomenen in complexe materialen verbeteren.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com