¿Cuáles son los últimos avances en fotónica basada en superconductores?

A2A

En esta respuesta, estoy usando la definición técnica de la óptica (cualquier cosa que tenga que ver con la radiación E&M) en lugar de la definición coloquial (algo que tenga que ver con la luz visible).

La principal diferencia en la estructura electrónica entre los superconductores y los materiales convencionales es que los superconductores tienen una pequeña brecha en la densidad electrónica de los estados. Esta ‘brecha superconductora’ aparece solo debajo de Tc y es una brecha directa centrada alrededor del nivel de Fermi. Refleja la energía requerida para romper un par de Cooper. La energía de separación depende de la Tc superconductora, pero generalmente está entre 1meV y 80meV (suponiendo que no quiera perder el tiempo con un criostato Helium-3). Los superconductores son transparentes a la luz con una energía más pequeña que su energía de brecha superconductora. Una ligera excepción son los superconductores de alta temperatura cuya energía de separación superconductora varía con la dirección.

Figura: La línea discontinua roja es una dispersión no superconductora. Azul / Negro y Verde / Negro son las dispersiones de banda en estado superconductor, con espacio superconductor [matemático] 2 \ Delta [/ matemático]

Otra propiedad de los superconductores que algunos clasificarían como ‘ópticos’ es que pueden mostrar un comportamiento de conmutación en respuesta a la luz. Esta es la idea detrás del fotodetector superconductor de nanocables. En este dispositivo, un nanocable superconductor se enfría por debajo de Tc y funciona con una corriente justo por debajo de la corriente crítica. La corriente crítica es la corriente requerida para destruir la superconductividad e inducir un estado resistivo. Cuando los fotones inciden en el nanocable, pueden romper los pares de Cooper (siempre que su energía exceda el espacio superconductor) e inducen localmente un estado resistivo temporalmente. Se necesita un nanocable para que el flujo de supercorriente esté lo suficientemente restringido como para preocuparse por el efecto local de los fotones, y generalmente el cable se modela en un patrón serpenteante para aumentar el área de detección. Estos detectores son muy útiles porque pueden detectar pocos fotones (a veces únicos) y, en particular, pueden detectar pocos fotones THz. Una idea relacionada se encuentra en un sensor de borde de transición. Aquí, un superconductor muy limpio con una transición superconductora muy nítida se mantiene a una temperatura en la que apenas se superconduce. Las partículas / fotones incidentes pueden calentar el detector lo suficiente como para que se vuelva resistivo.

En el campo de la fotónica superconductora en general, he visto varios artículos que consideran aplicaciones inusuales de los superconductores de alta temperatura de cuprato. Los superconductores de alta temperatura de cuprate son materiales cuasi 2D, que consisten en planos de CuO2 separados por capas aislantes. La superconductividad se origina en la estructura electrónica de los planos de CuO2, pero se requiere coherencia de fase 3D para tener un estado superconductor en masa.

Estas capas alternas de superconductor-aislante-superconductor-aislante-etc. se pueden modelar como una pila de uniones Josephson. Una unión Josephson es una estructura superconductora-aislante-superconductora, y el efecto Josephson es uno de los fenómenos más útiles relacionados con la superconductividad. Esta estructura en capas en cupratos ha sido explotada para producir emisores de THz de ancho de banda estrecho. Una pila de uniones Josephson tiene una frecuencia de oscilación de plasma en el rango de THz que se puede sintonizar aplicando un voltaje de polarización o cambiando la temperatura. Si esta frecuencia resuena con la frecuencia de la cavidad establecida por v / 2w (v = velocidad del modo de plasma, w = ancho de la cavidad, es decir, distancia entre capas superconductoras), se pueden lograr campos eléctricos oscilantes mejorados. Una revisión de esta aplicación se puede encontrar en Welp et al. Nature Photonics (2013) (Página en nature.com).

Una idea alternativa es impulsar esta estructura con un fuerte campo THz de corta duración que puede afectar el acoplamiento de Josephson entre capas superconductoras. En particular, si el acoplamiento entre capas se reduce por debajo de un umbral, el superconductor (R = 0) pasa a un estado resistivo (R = finito), porque se requiere el acoplamiento 3D para tener una superconductividad en masa. Esto puede tener aplicaciones en nanoelectrónica ultrarrápida, y los experimentos se describen en Dienst et al . Nature Photonics (2011).

Cuando se diseñan estructuras fotónicas a partir de superconductores, se aplican muchas de las mismas consideraciones para un metal, porque la estructura electrónica solo difiere del estado normal resistivo muy cerca del nivel de Fermi. Las excepciones suceden cuando considera que la luz con energía es más pequeña que la energía de brecha superconductora, si desea jugar con la transición superconductora o si desea hacer un dispositivo que incorpore el efecto Josephson.