Терагерцовый свет разделил частицы в вихрях сверхпроводника

Физики из Ратгерского университета в США и Национального института химической физики и биофизики в Таллине раздельно измерили отклик двух групп квазичастиц внутри магнитных вихрей сверхпроводника. Для этого исследователи использовали терагерцовый свет с разным направлением круговой поляризации. Результаты опубликованы 23 октября 2026 года в журнале Physical Review Letters.

Команда исследовала плёнки железного сверхпроводника FeTe₁₋ₓSeₓ толщиной 40 нанометров. Их выращивали послойно, атом за атомом, в лаборатории Сионшика О в Ратгерском университете. В Таллине образцы охлаждали до 0,3–3,5 кельвина и помещали в магнитное поле силой до 15 тесла. Затем через плёнку пропускали терагерцовое излучение и измеряли, как меняется поляризация света.

Что происходит в сердцевине вихря

В магнитном поле сверхпроводника возникают тонкие вихревые нити. Ток циркулирует вокруг каждой из них, а в центре, или сердцевине, сверхпроводимость ослабевает. Там квазичастицы занимают отдельные квантовые уровни энергии. Эти уровни, предсказанные физиками Кароли, де Женом и Матриконом в 1964 году, называют уровнями CdGM.

Движение вихрей связано с потерями энергии. Чтобы понять, как они возникают в сильном магнитном поле, важно различать отклики частиц в сердцевине. В исследовании левое и правое направления круговой поляризации терагерцового света запускали переходы, связанные соответственно с электроноподобными и дыркоподобными группами квазичастиц.

Причина такого разделения в том, что фотон несёт момент импульса, а переход между квантовыми уровнями допускает только определённое направление вращения волны. Это похоже на фильтр, который разводит сигналы по разным каналам. Представим два сигнала, один из которых проходит только через один канал, а другой через соседний. Здесь такими «сигналами» служат переходы разных групп частиц, а измерение поляризации позволяет рассматривать их отдельно.

Что показали измерения

По оптическим данным и расчётам авторы отдельно оценили для каждой группы время жизни квазичастиц, динамическую массу вихря, длину когерентности и верхнее критическое поле, при котором сверхпроводимость разрушается. Эти оценки связывают потери в вихревом ядре с конкретными группами возбуждений, а не только с общим откликом материала.

Исследователи сравнили плёнки с разным содержанием селена: x = 0,15 и x = 0,38. Обе становились сверхпроводящими примерно при 13 кельвинах. Однако расчёты показали разное соотношение групп: в одном образце на одну частицу одной группы приходилось почти четыре частицы другой, а во втором группы были примерно равны. Значит, близкая температура перехода сама по себе не описывает внутреннюю динамику вихрей.

В одном из образцов при поле 15 тесла поворот поляризации достигал примерно 75 миллирадиан на частоте около 0,3 терагерца. Эффективный параметр Верде, характеризующий магнитооптическое вращение, доходил до 10⁵ радиан на тесла-метр. Авторы связывают усиление отклика с концентрацией магнитного поля и оптическим взаимодействием внутри вихревых сердцевин. В частности, эффективный параметр Верде зависит от толщины плёнки и вклада границ раздела.

Границы метода

Исследование охватывает тонкие плёнки одного железосодержащего сверхпроводника, поэтому результаты нельзя автоматически переносить на другие материалы. Кроме того, расчёты исходили из модели невзаимодействующих конденсатов. Между ними может возникать связь, смешивающая состояния разных зон; авторы предлагают изучить этот эффект отдельно. Метод рассчитан на сверхпроводники с достаточно короткой длиной когерентности, чтобы энергетические уровни в сердцевине можно было различить.

Подробное изложение результатов можно подготовить при работе над научной статьёй по физике, отделяя измеренные данные от их теоретической интерпретации.

Статья опубликована в Physical Review Letters; полный текст препринта доступен на arXiv.