Невидимое терагерцевое излучение помогло физикам заглянуть внутрь микроскопических магнитных вихрей в сверхпроводнике и разделить частицы, сигналы которых раньше было трудно отличить друг от друга. Новый метод раскрывает внутреннюю структуру вихрей, движение которых заставляет сверхпроводники терять энергию, и может помочь при создании материалов для мощных магнитов и других устройств, работающих в сильных полях.
Специалисты Ратгерского университета и Национального института химической физики и биофизики Эстонии описали результаты в Physical Review Letters. Физики изучали тонкие плёнки FeTe1-xSex, железосодержащего сверхпроводника из железа, теллура и селена.
Сверхпроводимость позволяет электрическому току течь без обычного сопротивления и потерь энергии на нагрев. Однако сильное магнитное поле проникает во многие сверхпроводники второго рода в виде множества крошечных вихрей. Вокруг узкого ядра каждого вихря циркулирует ток, а внутри ядра сверхпроводящее состояние ослабевает. Пока вихри закреплены на месте, потери остаются небольшими, но движение вихрей рассеивает энергию в виде тепла.
Особый интерес вызывает содержимое вихревых ядер. Ещё в 1964 году физики Кароли, де Женн и Матрикон предсказали, что внутри чистого сверхпроводника квазичастицы должны занимать отдельные квантовые уровни энергии. Частица может перескочить между соседними уровнями, поглотив определённую порцию энергии. В большинстве обычных сверхпроводников промежутки между уровнями слишком малы, поэтому спектральные сигналы перекрываются и сливаются.
FeTe1-xSex оказался удобнее для наблюдений благодаря короткой длине когерентности и небольшим вихревым ядрам. Команда изготовила две эпитаксиальные плёнки толщиной 40 нм с долей селена x = 0,15 и x = 0,38. Обе плёнки переходили в сверхпроводящее состояние примерно при 13 К, или около -260 °C. Кристаллические слои выращивали методом молекулярно-лучевой эпитаксии, поскольку дефекты могут рассеивать квазичастицы и скрывать слабые сигналы.
Измерения провели в Таллине. Через охлаждённые плёнки пропускали терагерцевое излучение в сильном магнитном поле и следили за изменением поляризации. Терагерцевые волны располагаются между микроволновым и инфракрасным диапазонами и не воспринимаются человеческим глазом.
Решающую роль сыграла круговая поляризация. Электрическое поле световой волны вращается по часовой стрелке или против неё, причём электроноподобные и дырочноподобные квазичастицы реагируют на противоположные направления вращения. Левополяризованное излучение возбуждало переходы в электроноподобной зоне, правополяризованное воздействовало на дырочноподобную. Физики смогли разделить два набора квантовых состояний и измерить каждый независимо.
Прежняя сканирующая туннельная спектроскопия уже позволяла наблюдать состояния Кароли, де Женна и Матрикона внутри вихрей, но в основном показывала статическое распределение энергетических уровней. Терагерцевая магнитооптическая спектроскопия добавила информацию о динамике и направлении вращения квантовых состояний.
По спектрам исследователи рассчитали время жизни возбуждённых квазичастиц, размеры вихревых ядер, эффективную массу вихрей и верхнее критическое магнитное поле, при котором сверхпроводимость исчезает. Максимальное фарадеевское вращение для образца с x = 0,38 наблюдалось примерно на частоте 0,3 ТГц в поле 15 Тл.
Сравнение двух составов принесло ещё один важный результат. При почти одинаковой температуре сверхпроводящего перехода внутреннее устройство вихрей заметно различалось. Для плёнки с меньшей долей селена расчёты показали почти четыре частицы одной группы на каждую частицу второй группы, а в образце с большим содержанием селена численность двух групп оказалась примерно одинаковой. Состав также влиял на энергию квантовых переходов и продолжительность отклика на свет.
Разница показывает, почему одной критической температуры недостаточно для оценки сверхпроводника. Материалы с почти одинаковой температурой перехода могут иметь разные вихревые ядра, по-разному терять энергию и выдерживать разные магнитные поля. Для инженеров подобные свойства особенно важны при разработке сверхпроводящих магнитов для МРТ, ускорителей частиц и других установок, где материал постоянно находится в сильном поле.
Авторы считают терагерцевую магнитооптику подходящим инструментом и для других сверхпроводников с достаточно узкими вихревыми ядрами. Возможность отдельно наблюдать разные группы квазичастиц позволит точнее изучать влияние химического состава на внутреннюю структуру материала и искать варианты, которые сохраняют сверхпроводящие свойства при более жёстких условиях.