Os supercondutores são um dos materiais mais notáveis da física quântica. Quando alguns materiais são resfriados abaixo de uma temperatura de transição específica, sua resistência elétrica desaparece. A eletricidade pode então fluir através deles sem perder energia na forma de calor.
Isso acontece porque os elétrons formam pares correlacionados chamados pares de Cooper. Em vez de se moverem de forma independente, estes pares agem coletivamente, como uma onda que viaja através do material. Esta propriedade incomum torna os supercondutores promissores para aplicações que incluem ímãs poderosos, detectores altamente sensíveis e circuitos quânticos.
Mas a supercondutividade não suporta corrente elétrica ilimitada. Quando a corrente se torna muito grande, o estado supercondutor começa a falhar. A corrente crítica de um material descreve a corrente máxima que ele pode transportar antes que apareçam resistência e perdas de energia.
Por que os supercondutores geralmente quebram rapidamente?
Nos supercondutores Tipo II, a corrente crítica medida em experimentos muitas vezes não reflete o limite microscópico real da supercondutividade. Em vez disso, a falha geralmente é desencadeada pelo movimento de vórtices, pequenas regiões onde o fluxo magnético pode passar através do material.
À medida que a corrente aumenta, estes redemoinhos podem começar a mover-se. Seu movimento cria resistência elétrica e gera calor, que pode eventualmente destruir o estado supercondutor.
Na verdade, os supercondutores têm um limite fundamental alto conhecido como corrente de fuga. “Uma maneira de imaginar isso é que a corrente “torce” a fase do estado quântico coerente do supercondutor, como se torcesse uma mola”, explica Erin Wang, principal autora do estudo.
Se este estado quântico for muito distorcido, ele se tornará instável. Nesse momento, os pares de Cooper responsáveis pela supercondutividade começam a se desintegrar. As medições convencionais de transporte de corrente contínua (CC) raramente atingem esse limite intrínseco porque os vórtices em movimento e o aquecimento geralmente perturbam primeiro a supercondutividade.
ultrapassar os redemoinhos
Os pesquisadores desenvolveram uma maneira de lidar com esse problema, fornecendo rajadas extremamente curtas de corrente elétrica.
“Nossa estratégia era estar à frente da dinâmica dos vórtices”, diz Erin Wang.
Os vórtices podem viajar a velocidades de dezenas de quilômetros por segundo, mas durante o período de um picossegundo eles se movem apenas dezenas de nanômetros. Ao aplicar corrente por períodos de tempo extremamente curtos, os pesquisadores podem levar a densidade da corrente a níveis muito altos, antes que os vórtices tenham tempo suficiente para mover ou aquecer significativamente o material.
Isto reduz drasticamente a perda de energia causada pelo movimento do vórtice e permite aos investigadores levar o estado supercondutor muito mais perto do seu limite de corrente fundamental.
O pulso elétrico dura apenas picossegundos
Para produzir esses fluxos excepcionalmente pequenos, a equipe usou uma plataforma de transporte elétrico ultrarrápida desenvolvida no MPSD.
“Para aplicar corrente aos supercondutores durante apenas alguns picossegundos, utilizámos uma plataforma de transporte eléctrico ultrarrápida que estamos a desenvolver no nosso instituto”, diz o co-autor do estudo, Guido Meyer.
O sistema usa interruptores fotocondutores acionados por pulsos de laser verde de 300 femtossegundos com comprimento de onda de 515 nanômetros. Uma vez ativados, os interruptores geram pulsos elétricos que duram apenas alguns picossegundos. Esses pulsos viajam ao longo de um guia de ondas planar e depois passam por amostras supercondutoras de apenas micrômetros de tamanho.
Dois supercondutores reagem de maneira muito diferente
Os pesquisadores testaram dois materiais, NbN e YBCO, porque representam formas fundamentalmente diferentes de supercondutividade. NbN tem um gap de energia supercondutor relativamente uniforme (S-onda), enquanto YBCO tem uma diferença de energia que muda fortemente dependendo da direção (D-aceno).
O estudo de ambos os materiais permitiu aos pesquisadores investigar como a microestrutura do estado supercondutor é afetada quando correntes extremamente fortes e ultrarrápidas são aplicadas.
O NBN permaneceu fortemente supercondutor até que a corrente atingiu um limite específico que era muito maior do que a sua corrente crítica DC convencional. Assim que a corrente passou deste ponto, a resposta do material mudou subitamente, um sinal de que os seus pares de Cooper estavam a começar a desintegrar-se.
YBCO se comportou de maneira muito diferente. Em vez de permanecer estável e falhar repentinamente, o seu estado supercondutor enfraqueceu progressivamente à medida que a corrente aumentava.
Os pesquisadores atribuem essa diferença às estruturas internas distintas dos dois materiais. No NBN, a diferença de energia supercondutora é aproximadamente igual em todas as direções. Entretanto, no YBCO, a diferença varia significativamente com a direção e desaparece completamente em algumas direções. Essa estrutura permite que a supercondutividade no YBCO enfraqueça gradualmente, em vez de entrar em colapso em um limite claramente definido.
Revelando a física supercondutora oculta
“Nossos resultados mostram que o transporte em picossegundos pode fornecer acesso às propriedades microscópicas dos supercondutores, incluindo suas simetrias de lacunas, que não estão diretamente disponíveis no transporte DC convencional”, diz Andrea Cavalleri, que lidera o grupo de pesquisa.
Os pesquisadores precisarão estudar uma ampla gama de materiais supercondutores para determinar até que ponto essa relação se aplica.
De forma mais geral, os resultados mostram que pulsos elétricos extremamente curtos podem revelar formas de transporte supercondutor que normalmente são ocultadas por efeitos mais lentos, como movimento de vórtice e aquecimento. Ao trabalhar numa escala de tempo comparável ao estado supercondutor, os cientistas podem alcançar novas formas de sondar e controlar estes materiais quânticos.
Este sistema recentemente acessível de supercondutividade de corrente ultra-alta pode ter implicações para a optoeletrônica e potencialmente até para dispositivos magnéticos.
