Chirality-resolved spectroscopy of Caroli-de Gennes-Matricon states in multiband FeTe$_{1-x}$Se$_{x}$ superconductors

En utilisant la spectroscopie magnéto-optique Faraday térahertz, des chercheurs ont résolu directement l'hélicité et l'origine de bande des états quantifiés de Caroli-de Gennes-Matricon dans les supraconducteurs multibandes FeTe$_{1-x}$Se$_x$, permettant la détermination indépendante des durées de vie des quasiparticules et d'autres paramètres clés tout en fournissant une preuve dynamique des excitations de cœur de vortex multibandes.

L'essentiel

Imaginez un supraconducteur comme une autoroute parfaitement lisse et sans friction où l'électricité circule sans perdre aucune énergie. Mais parfois, si vous poussez trop fort cette autoroute avec un champ magnétique, de minuscules tourbillons (appelés « vortex ») se forment dans le flux. À l'intérieur du centre de ces tourbillons, l'écoulement fluide se brise, et les électrons se retrouvent piégés dans une danse particulière et tourbillonnante.

Ce document traite de l'utilisation d'une caméra haute vitesse et codée par couleurs pour observer cette danse et déterminer exactement qui danse et comment ils se déplacent.

La piste de danse : Les états « CdGM »

Au milieu de ces tourbillons magnétiques, les électrons restent bloqués sur des niveaux d'énergie spécifiques, comme les marches d'un escalier. Les physiciens appellent ces marches les états Caroli–de Gennes–Matricon (CdGM).

Considérez ces marches comme un escalier en colimaçon à l'intérieur d'une tornade. Les électrons ne peuvent se tenir que sur des marches spécifiques, et ils doivent tourner dans une direction précise pour y rester.

• Le Problème : Dans la plupart des matériaux, ces marches sont si proches les unes des autres et les électrons se déplacent de manière si chaotique qu'il est impossible de les distinguer. C'est comme essayer de compter chaque goutte de pluie individuellement lors d'un orage violent.
• La Solution : Les chercheurs ont utilisé un matériau spécial appelé FeTe$_{1-x}$Se$_x$ (un mélange de fer, de tellure et de sélénium). Ce matériau est spécial car les « marches » sont espacées et les électrons se déplacent de manière assez propre pour que les marches soient distinctes.

La Caméra : La lumière Térahertz et la « chiralité »

Pour voir ces marches, les scientifiques ont utilisé de la lumière Térahertz (un type de lumière invisible située entre les micro-ondes et l'infrarouge). Mais ils n'ont pas simplement utilisé une lampe de poche ; ils ont utilisé un tour très spécifique impliquant la polarisation.

Imaginez la lumière comme une toupie qui tourne. Elle peut tourner dans le sens des aiguilles d'une montre (droite) ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (gauche).

• L'Analogie : Considérez les électrons dans le tourbillon comme des danseurs. Certains danseurs (les « électroniques ») n'aiment que tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. D'autres (les « trous ») n'aiment que tourner dans le sens des aiguilles d'une montre.
• La Magie : Lorsque les scientifiques ont projeté de la lumière tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, cela a fait monter d'une marche les danseurs tournant dans ce sens. Lorsqu'ils ont projeté de la lumière tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, cela a fait monter les danseurs tournant dans ce sens.

Parce que la lumière et les danseurs doivent correspondre en termes de « chiralité » (leur sens de rotation) pour interagir, les scientifiques ont pu identifier précisément quel type d'électron faisait quoi. C'est comme avoir une serrure qui ne s'ouvre qu'avec une clé pour gaucher, permettant de compter séparément les danseurs gauchers des danseurs droitiers.

Ce qu'ils ont découvert

En observant comment la lumière pivotait en passant à travers le matériau (un phénomène appelé rotation de Faraday), ils ont découvert :

1. Deux groupes distincts : Ils ont confirmé qu'il existe bien deux groupes de danseurs distincts (bandes d'électrons et bandes de trous) à l'intérieur des tourbillons, et qu'ils réagissent différemment à la lumière.
2. Mesurer la danse : Ils ont pu mesurer combien de temps les danseurs restaient sur une marche avant de tomber (leur « durée de vie »), à quel point ils semblaient lourds (leur « masse ») et quelle était la taille du tourbillon (leur « longueur de cohérence »).
3. Changer le mélange : Ils ont testé différentes versions du matériau en changeant le ratio de Tellure par rapport au Sélénium. Ils ont découvert que changer ce mélange est comme changer la musique sur la piste de danse : cela change le nombre de danseurs sur la piste et combien de temps ils peuvent continuer à danser.
   • Dans un mélange, les danseurs « électroniques » étaient la foule principale.
   • Dans un autre mélange, les danseurs « trous » étaient plus équilibrés avec les électrons.

Pourquoi c'est important

Avant cela, les scientifiques ne pouvaient voir que l'image « statique » de ces tourbillons (comme une photo figée). Ce document est le premier à utiliser la lumière pour voir le mouvement dynamique et la « chiralité » spécifique des particules à l'intérieur.

Ils ont prouvé que l'optique magnéto-optique térahertz est un nouvel outil puissant. C'est comme passer d'une photo en noir et blanc à une vidéo 3D, au ralenti et codée par couleurs, qui permet de voir les étapes individuelles de la danse quantique à l'intérieur d'un supraconducteur. Cela aide à comprendre le fonctionnement de ces matériaux, ce qui est une étape cruciale vers la création de meilleurs supraconducteurs pour le futur.

Résumé technique

Résumé technique : Spectroscopie de chiralité résolue des états de Caroli–de Gennes–Matricon dans les supraconducteurs multibandes FeTe$_{1-x}$Se$_x$

Problème et motivation
Dans les supraconducteurs de type II au sein de la phase d'Abrikosov, les cœurs de vortex régissent la dissipation et l'électrodynamique à basse énergie. Alors que le modèle classique de Bardeen–Stephen traite les cœurs de vortex comme des régions de métal normal (valable dans la limite sale), les supraconducteurs propres ($l > \xi_0$) hébergent des états liés discrets connus sous le nom d'états de Caroli–de Gennes–Matricon (CdGM). Dans les supraconducteurs conventionnels, la grande longueur de cohérence et le faible rapport gap/énergie de Fermi ($\Delta/E_F$) provoquent un élargissement thermique et de durée de vie de ces niveaux, empêissant la résolution spectroscopique. Bien que les cuprates à haute $T_c$ possèdent des longueurs de cohérence courtes, leurs paramètres d'ordre nodaux créent un spectre quasi-continu qui occulte les états discrets.

Les supraconducteurs à base de fer, spécifiquement FeTe$_{1-x}$Se$_x$, offrent une alternative favorable en raison de leurs courtes longueurs de cohérence, de leur grand rapport $\Delta/E_F$ et de leur paramètre d'ordre $s_{\pm}$ sans nœuds. Cependant, bien que la spectroscopie de tunnel à balayage (STS) ait résolu les densités locales d'états statiques dans ces matériaux, elle ne peut accéder à l'hélicité (le sens de rotation) des quasiparticules de cœur de vortex imposée par le champ magnétique. Les auteurs visent à résoudre l'hélicité et l'origine de bande de ces quasiparticules de manière dynamique.

Méthodologie
L'étude utilise la spectroscopie magnéto-optique de Faraday dans le térahertz (THz) sur des films minces épitaxiaux de FeTe$_{1-x}$Se$_x$ (spécifiquement $x=0,15$ et $x=0,38$) avec des températures critiques ($T_c$) autour de 13 K. Le dispositif expérimental utilise un rayonnement THz circulairement polarisé généré par une lampe à arc au mercure et un interféromètre de Martin-Puplett, passant à travers un aimant supraconducteur.

Le principe physique central repose sur des règles de sélection strictes du moment angulaire pour les transitions optiques entre les niveaux CdGM. Parce que les photons transportent un moment angulaire $\hbar$, les transitions entre les états CdGM occupés et inoccupés sont sélectives en polarisation :

• Les porteurs de type électron absorbent le rayonnement circulairement polarisé à main gauche (transitions de $\mu = -1/2$ vers $\mu = +1/2$).
• Les porteurs de type trou absorbent le rayonnement à main droite (transitions de $\mu = +1/2$ vers $\mu = -1/2$).

Cette sélectivité de polarisation induit une différence dans les indices de réfraction pour la lumière à main gauche et à main droite ($N_+$ et $N_-$), entraînant une rotation de Faraday ($\theta_F$). L'angle de rotation est directement proportionnel à la différence de réponse optique entre les deux hélicités, permettant aux auteurs de sonder la dynamique des cœurs de vortex et de distinguer les contributions des bandes électroniques et de trous.

Résultats clés
Les auteurs ont réussi à résoudre des résonances CdGM de longue durée de vie avec des polarisations circulaires opposées pour les bandes de type électron et de type trou. Les principales conclusions incluent :

1. Dynamique résolue par bande : Les spectres de rotation de Faraday présentent des signes et des dépendances en fréquence distincts pour les deux échantillons. Pour $x=0,38$, la rotation est principalement positive, tandis que pour $x=0,15$, elle change de signe à travers la plage de fréquences. Cela confirme que les états CdGM de type électron et de type trou contribuent tous deux à la réponse, avec un changement de leurs poids relatifs en fonction de la substitution isovalente $x$.
2. Extraction de paramètres : En ajustant la dépendance en champ magnétique et en température de la rotation de Faraday à un modèle théorique impliquant une masse de vortex dépendante de la fréquence et une conductivité optique, les auteurs ont déterminé indépendamment :
   • Durées de vie des quasiparticules ($\tau$) : Allant de 0,41 ps à 0,80 ps selon la bande et la composition.
   • Masses de vortex : La masse effective du vortex par unité de longueur a été dérivée, montrant des valeurs distinctes pour les bandes électroniques et de trous.
   • Longueurs de cohérence ($\xi_0$) et champs critiques supérieurs ($B_{c2}$) : Estimés pour chaque bande. Pour $x=0,38$, les deux condensats ont des longueurs de cohérence similaires (~1,7–2,0 nm). Pour $x=0,15$, la longueur de cohérence du condensat électronique est plus longue (2,7 nm) que celle du condensat de trous (1,7 nm).
   • Densités de porteurs : La somme des densités de porteurs dans le cœur de vortex reste relativement constante, mais le rapport entre la densité d'électrons et de trous change avec $x$.
3. Évolution systématique : L'étude révèle une redistribution systématique du poids superfluide entre les bandes électroniques et de trous en fonction de la substitution Te/Se ($x$). La « pression chimique » de la substitution modifie la taille relative des poches de Fermi, altérant les densités de porteurs et les durées de vie.
4. Vérification du régime : Les paramètres dérivés confirment que ces films opèrent dans la « limite modérément propre » ($\omega_0 \tau \gtrsim 1$), où des résonances bien définies existent, et où le libre parcours moyen est comparable ou supérieur à la longueur de cohérence.

Signification et affirmations
L'article établit la magnéto-optique térahertz comme une sonde directe des excitations hélicales de cœur de vortex. La principale signification réside dans la capacité de :

• Résoudre l'hélicité : Accéder directement à la chiralité des quasiparticules de cœur de vortex, une capacité non disponible dans les mesures STS statiques.
• Preuve dynamique : Fournir une preuve dynamique des états CdGM multibandes dans les supraconducteurs à base de fer, en distinguant les contributions des bandes électroniques et de trous à la masse du vortex et à la densité supraconductrice.
• Caractérisation indépendante : Permettre la détermination indépendante des longueurs de cohérence et des champs critiques supérieurs pour les bandes individuelles au sein d'un supraconducteur multibande sans dépendre d'hypothèses sur le couplage interbande.

Les auteurs concluent que cette approche magnéto-optique offre une voie vers la spectroscopie de chiralité résolue de la matière de vortex dans les supraconducteurs complexes, applicable à tout supraconducteur de type II possédant des longueurs de cohérence suffisamment courtes, y compris les systèmes à fermions lourds et les hétérostructures d'ingénierie. Le travail ne prétend pas résoudre les effets de couplage interbande, notant que l'analyse a été effectuée dans le cadre de condensats non interagissants.