DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07635-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38987601
تاريخ النشر: 2024-07-10
المؤلف: S. Fava وآخرون
الموضوع الرئيسي: فيزياء الموصلية الفائقة والمغناطيسية
طرق
في هذه الدراسة، تم إعداد وتوصيف أفلام رقيقة من YBa2Cu3O7 (YBCO 7) وبلورات مفردة من YBCO 6.48 باستخدام تقنيات الليثوغرافيا المتقدمة والحفر. تم تشكيل فيلم YBCO 7 الرقيق على شكل نصف قرص على ركائز Al2O3 المصقولة من خلال الليثوغرافيا بالليزر باستخدام قناع فوتوريسست AZ1512، تلاه حفر رطب في محلول H3PO4 بنسبة 1%. تم إزالة الفوتوريسست المتبقي باستخدام الأسيتون والإيزوبروبانول. ثم تم تثبيت الأفلام على لوحة Al2O3 لتقليل التيارات الدوامية وتعزيز كفاءة التبريد. تم استخدام بلورة GaP (100) بسماكة 75 ميكرومتر ككاشف مغناطيسي بصري، موضوعة للكشف فقط عن الانعكاس من السطح الخلفي لفيلم YBCO، مما يسمح بإجراء قياسات دقيقة لدوران استقطاب فاراداي.
بالنسبة لبلورات YBCO 6.48 المفردة، تم تلميع العينات لكشف سطح موجه في الاتجاه AC، مما يسهل الوصول إلى المحور C للبلورة. تم تثبيت هذه البلورات على حافة لوحة Al2O3 على شكل نصف قرص، مع وضع كاشف GaP مماثل في اتصال. لحماية الكاشف من نبضات المضخة بطول موجي 15 ميكرومتر، تم استخدام بلورتين من Al2O3 بسماكة 30 ميكرومتر، مما عكس الضوء المضخة بشكل فعال بينما سمح بتمرير طول الموجة 800 نانومتر. تم تصميم الإعداد التجريبي لمنع التداخل من الانعكاسات الزائفة، مما يضمن قياسات دقيقة لكل من تجارب الموصلية الفائقة في حالة التوازن وتجارب الاضطراب. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول نمو العينات وتوصيفها في المعلومات التكميلية.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التقدم في قياس المغناطيسية البصرية فائقة السرعة، وخاصة من خلال دمج التصوير المغناطيسي البصري وأخذ عينات من نبضات التيراهيرتز (THz). من خلال استخدام بلورة فوسفات الغاليوم (GaP) ككاشف مغناطيسي بصري، حققوا حساسية أفضل من 1 ميكروتسلا ودقة زمنية تتجاوز 1 بيكوثانية، مما حسن بشكل كبير الطرق السابقة التي استخدمت كواشف فيري مغناطيسية. تم التحقق من التقنية من خلال قياس الانتقال الموصل الفائق في فيلم YBa\(_2\)Cu\(_3\)O\(_7\) (YBCO 7)، كاشفًا عن ديناميات المجال المغناطيسي المتوقعة التي تتماشى مع التنبؤات النظرية لاستبعاد التدفق المغناطيسي في الموصلات الفائقة.
استكشف المؤلفون أيضًا ديناميات طرد المجال المغناطيسي في YBa\(_2\)Cu\(_3\)O\(_6.48\) (YBCO 6.48) عند الإثارة بنبضات منتصف الأشعة تحت الحمراء. لاحظوا زيادة عابرة في المجال المغناطيسي بالقرب من حافة المنطقة المثارة ضوئيًا، مما يدل على تأثير ميسنر الناتج عن الضوء. أظهرت القياسات تغيرًا كبيرًا في القابلية المغناطيسية، مما يشير إلى وجود مرحلة موصلة فائقة عابرة أو تضخيم للتقلبات الموصلية الفائقة الموجودة مسبقًا. تؤكد النتائج على الطبيعة غير التقليدية لهذه الظواهر وتبرز دور المجالات الكهرومغناطيسية المتماسكة في التلاعب بمرحلة المواد الكمومية بعيدًا عن التوازن.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07635-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38987601
Publication Date: 2024-07-10
Author(s): S. Fava et al.
Primary Topic: Physics of Superconductivity and Magnetism
Methods
In this study, YBa2Cu3O7 (YBCO 7) thin films and YBCO 6.48 single crystals were prepared and characterized using advanced lithography and etching techniques. The YBCO 7 thin film was patterned into a half-disc shape on polished Al2O3 substrates through laser lithography with an AZ1512 photoresist mask, followed by wet etching in a 1% H3PO4 solution. The residual photoresist was subsequently removed using acetone and isopropanol. The films were then mounted on an Al2O3 plate to minimize eddy currents and enhance cooling efficiency. A 75-µm thick GaP (100) crystal was utilized as a magneto-optic detector, positioned to detect only the reflection from the back surface of the YBCO film, thus allowing for accurate measurements of Faraday polarization rotation.
For the YBCO 6.48 single crystals, the samples were polished to expose an ac-oriented surface, facilitating access to the crystal c-axis. These crystals were affixed to the edge of a half-disc-shaped Al2O3 plate, with a similar GaP detector placed in contact. To shield the detector from the 15-µm wavelength pump pulses, two 30-µm thick Al2O3 crystals were employed, which effectively reflected the pump light while allowing transmission of the 800 nm wavelength. The experimental setup was designed to prevent interference from spurious reflections, ensuring precise measurements for both equilibrium superconductivity and disruption experiments. Further details on the sample growth and characterization can be found in the supplementary information.
Discussion
In this section, the authors discuss advancements in ultrafast optical magnetometry, specifically through the integration of magneto-optical imaging and magneto-optic sampling of terahertz (THz) pulses. By employing a gallium phosphide (GaP) crystal as a magneto-optic detector, they achieved a sensitivity of better than 1 µT and a time resolution exceeding 1 ps, significantly improving upon previous methods that utilized ferrimagnetic detectors. The technique was validated by measuring the equilibrium superconducting transition in a YBa\(_2\)Cu\(_3\)O\(_7\) (YBCO 7) thin film, revealing expected magnetic field dynamics consistent with theoretical predictions of magnetic flux exclusion in superconductors.
The authors further explored the dynamics of magnetic field expulsion in YBa\(_2\)Cu\(_3\)O\(_6.48\) (YBCO 6.48) upon excitation with mid-infrared pulses. They observed a transient increase in the magnetic field near the edge of the photo-excited region, indicative of a photo-induced Meissner effect. The measurements demonstrated a significant change in magnetic susceptibility, suggesting the presence of a transient superconducting phase or the amplification of pre-existing superconducting fluctuations. The findings underscore the unconventional nature of these phenomena and highlight the role of coherent electromagnetic fields in manipulating quantum material phases away from equilibrium.