Odkrili skrito upornost superprevodne nanožice

Med pojavi, ki so v minulem stoletju burili znanstveno domišljijo in spodbujali raziskovalno mrzlico, ki se intenzivno nadaljuje v novem tisočletju, gotovo izstopa superprevodnost. V sto letih je bilo njeno raziskovanje nagrajeno z več Nobelovimi nagradi, pred dnevi pa je delček v mozaik sicer še v marsičem neznanega delovanja superprevodnosti prispevala tudi skupina slovenskih raziskovalcev z Instituta Jožef Stefan.

Zanimanje za raziskovanje superprevodnosti ne preseneča. Pojav, pri katerem električna upornost nekaterih snovi, pravimo jim superprevodniki, pri zelo nizki temperaturi tako rekoč izgine ali pa je magnetno polje iz njih povsem izrinjeno, ima namreč izjemne uporabne možnosti – če bi seveda znali premostiti problem nizke temperature in še kaj.

Pomembno spoznanje na tej poti ponujajo rezultati raziskave, ki je v Ljubljani potekala v skupini odseka za kompleksne snovi IJS pod vodstvom prof. dr. Dragana Mihailovića. Ta skupina raziskuje fazne prehode, ki se hitro dogajajo v času, pri čemer še posebej išče nova skrita kvantna stanja, ki so neravnovesna ali metastabilna.

Rezultati raziskave – ta je del projekta evropskega raziskovalnega sveta (ERC), ki se letos končuje – so objavljeni v zadnji številki ugledne revije Science Advances. V članku so avtorji pokazali, da čeprav je za superprevodnike znano, da nimajo električnega upora, je superprevodne nanožice z majhnim premerom možno spraviti v metastabilno kvantno stanje, v katerem je upor končen.

Superprevodnosti ni vedno brez upora

Za superprevodnike, kot rečeno, je znano, da nimajo električnega upora, kar je ena od posledic makroskopske kvantne narave tega pojava. Vendar se je izkazalo, da to ne velja vedno.

»Superprevodniki ne preidejo iz superprevodnega v normalno stanje nenadoma, ampak se pogosto vmes pojavi nekakšno nehomogeno mešano stanje, za napoved katerega so Aleksej Abrikosov, Vitalij Ginzburg in Anthony Leggett leta 2003 dobili Nobelovo nagrado,« pojasnjuje Mihailović, ki je raziskavo zasnoval v okviru projekta ERC – to je bil prvi projekt evropskega sveta, ki je pripadel slovenskemu raziskovalcu.

V eksperimentu, ki sta ga izvedla Ivan Madan in Jože Buh, so s kratkimi laserskimi sunki pokazali, da je mogoče superprevodne nanožice z majhnim premerom spraviti v metastabilno kvantno stanje, v katerem je upor različen od nič in ga je mogoče nadzorovati.

»Medtem ko je v obsežnih kristalih to stanje dobro raziskano,« nadaljuje prof. Mihailović, »se v zelo tankih nanožicah, ki se približujejo limiti enodimenzionalnega superprevodnika, pokažejo novi pojavi na meji superprevodnega in normalnega stanja. Vzdolž take superprevodne nanožice se pojavijo 'trepetajoče' kvantne motnje normalne faze v superprevodniku. Te opisujemo teoretično z enačbami, ki lahko vodijo tudi do kvantnega kaosa ali pa v drugačnih razmerah do končnega upora v superprevodnih nanožicah.«

Slovensko razkritje: preskok v skrito uporovno stanje

Po Mihailovićevi razlagi je slovenska skupina raziskovalcev v članku pokazala, da je možno skrita stanja manipulirati s svetlobo, tako da povsem napovedano, pod zelo natančno določenimi pogoji, dosežejo preskok v skrito uporovno stanje.

»Gre za pojav v zelo tanki žici, kjer se pojavljajo 'trepetajoči čepki' z uporom, ki smo ga opisali v prejšnjem članku v reviji Nature Communications. Zdaj nam je uspelo kontrolirano spreminjati stanja z laserskimi sunki, kar prej ni bilo mogoče. Zanimiva novost je, da so stanja, ki jih s tem dosežemo, dosegljiva samo z lasersko vzbuditvijo,« pojasnjuje Mihailović.

Delo, ki vključuje sintezo nanožic po novi poti, pripravo vezij nanometrskih dimenzij, električnih in optičnih meritev ter teoretične izračune, je v celoti plod znanja raziskovalcev IJS in Nanocentra. Nanožice je sintetiziral Aleš Mrzel, teoretične izračune pa opravil Viktor Kabanov skupaj s študentom Vladimirjem Baranovim.

Odkritje ima temeljni pomen za razumevanje superprevodnosti. Napoveduje nov temeljni kvantni pojav neravnovesnih superprevodnih stanj, povezan s kvantnim kaosom, hkrati pa je zanimiv z vidika razvoja novih detektorjev posameznih fotonov v kvantnih šifriranih komunikacijah in detekciji elementarnih delcev.

Po povedanem bi bilo utemeljeno pričakovati, da ima raziskovalno delo omenjene skupine lepo prihodnost. A trenutno ni videti tako.

»Študentje, ki so sodelovali pri projektu, so že odšli na izvrstne položaje na uglednih tujih univerzah ali v industrijo. Madan je na EPFL v Švici, Baranov na univerzi v Antwerpnu, Buh pa v podjetju Elaphe. Čeprav je raziskava odprla veliko novih možnosti tako v osnovnih raziskavah v fiziki kot v uporabi, zaradi drastičnega zmanjšanja doktorskih štipendij za mlade raziskovalce ARRS v zadnjih letih te smeri raziskav na področju kvantnih tehnologij ne bomo mogli nadaljevati,« pravi prof. Mihailović.