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

Utilizzando la spettroscopia magneto-ottica di Faraday a terahertz, i ricercatori hanno risolto direttamente l'elicità e l'origine di banda degli stati quantizzati di Caroli-de Gennes-Matricon nei superconduttori multibanda FeTe$_{1-x}$Se$_x$, consentendo la determinazione indipendente dei tempi di vita dei quasiparticelle e di altri parametri chiave, fornendo al contempo prove dinamiche per le eccitazioni del nucleo del vortice multibanda.

L'essenziale

Immaginate un superconduttore come un'autostrada perfettamente liscia e priva di attrito, dove l'elettricità scorre senza perdere alcuna energia. Ma a volte, se si spinge troppo forte questa autostrada con un campo magnetico, si formano dei piccoli vortici (chiamati "vortici") nel flusso. All'interno del centro di questi vortici, il flusso regolare si interrompe e gli elettroni rimangono intrappolati in una danza speciale e rotante.

Questo articolo parla dell'utilizzo di una telecamera ad alta velocità e codificata per colori per osservare quella danza e capire esattamente chi sta danzando e come si muove.

La pista da ballo: gli stati "CdGM"

Nel mezzo di questi vortici magnetici, gli elettroni rimangono bloccati in specifici livelli di energia, come i gradini di una scala. I fisici chiamano questi gradini stati di Caroli–de Gennes–Matricon (CdGM).

Pensate a questi gradini come a una scala a chiocciola all'interno di un tornado. Gli elettroni possono stare solo su determinati gradini e devono ruotare in una direzione specifica per restare lì.

• Il Problema: Nella maggior parte dei materiali, questi gradini sono così vicini tra loro e gli elettroni si muovono in modo così caotico che non è possibile distinguerli. È come cercare di contare i singoli gocciolamenti di pioggia durante un temporale intenso.
• La Soluzione: I ricercatori hanno utilizzato un materiale speciale chiamato FeTe$_{1-x}$Se$_x$ (una miscela di ferro, tellurio e selenio). Questo materiale è speciale perché i "gradini" sono distanti e gli elettroni si muovono in modo abbastanza pulito da rendere i gradini ben distinti.

La telecamera: la luce Terahertz e la "manualità"

Per vedere questi gradini, gli scienziati hanno utilizzato la luce Terahertz (un tipo di luce invisibile compresa tra le microonde e l'infrarosso). Ma non si sono limitati a puntare una torcia; hanno usato un trucco molto specifico che riguarda la polarizzazione.

Immaginate la luce come una trottola che ruota. Può ruotare in senso orario (destrorsa) o in senso antiorario (sinistrorsa).

• L'Analogia: Pensate agli elettroni nel vortice come a dei ballerini. Alcuni ballerini (quelli "tipo elettrone") amano solo ruotare in senso antiorario. Altri (quelli "tipo lacuna") amano solo ruotare in senso orario.
• La Magia: Quando gli scienziati hanno proiettato luce rotante in senso antiorario, hanno fatto saltare un gradino verso l'alto i ballerini che ruotano in senso antiorario. Quando hanno proiettato luce rotante in senso orario, hanno fatto saltare i ballerini che ruotano in senso orario.

Poiché la luce e i ballerini devono corrispondere nella loro "manualità" (chiralità) per interagire, gli scienziati hanno potuto capire esattamente quale tipo di elettrone stava facendo cosa. È come avere una serratura che si apre solo con una chiave per mancini, permettendo di contare separatamente i ballerini mancini dagli altri.

Cosa hanno scoperto

Osservando come la luce si torceva mentre passava attraverso il materiale (un fenomeno chiamato rotazione di Faraday), hanno scoperto:

1. Due gruppi diversi: Hanno confermato che esistono effettivamente due gruppi distinti di ballerini (bande di elettroni e bande di lacune) all'interno dei vortici, e che essi rispondono alla luce in modo diverso.
2. Misurare la danza: Sono riusciti a misurare quanto tempo i ballerini restavano su un gradino prima di cadere (il loro "tempo di vita"), quanto si sentissero pesanti (la loro "massa") e quanto fosse grande il vortice (la loro "lunghezza di coerenza").
3. Cambiare la miscela: Hanno testato diverse versioni del materiale cambiando il rapporto tra Tellurio e Selenio. Hanno scoperto che cambiare questa miscela è come cambiare la musica sulla pista da ballo: cambia il numero di ballerini presenti sul pavimento e quanto a lungo possono continuare a danzare.
   • In una miscela, i ballerini "tipo elettrone" erano la folla principale.
   • In un'altra miscela, i ballerini "tipo lacuna" erano più bilanciati con gli elettroni.

Perché è importante

Prima di allora, gli scienziati potevano solo vedere l'immagine "statica" di questi vortici (come una foto congelata). Questo articolo è il primo a utilizzare la luce per vedere il movimento dinamico e la specifica "manualità" delle particelle all'interno.

Hanno dimostrato che la magneto-ottica Terahertz è uno strumento potente e innovativo. È come passare da una foto in bianco e nero a un video 3D, al rallentatore e a colori, che permette di vedere i singoli gradini della danza quantistica all'interno di un superconduttore. Questo aiuta a capire come funzionano questi materiali, il che è un passo cruciale verso la costruzione di superconduttori migliori per il futuro.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Spettroscopia con risoluzione della chiralità degli stati di Caroli–de Gennes–Matricon in superconduttori multiband FeTe$_{1-x}$Se$_x$

Problema e Motivazione
Nei superconduttori di tipo II all'interno della fase di Abrikosov, i nuclei dei vortici governano la dissipazione e l'elettrodinamica a bassa energia. Mentre il classico modello di Bardeen–Stephen tratta i nuclei dei vortici come regioni di metallo normale (valido nel limite sporco), i superconduttori puliti ($l > \xi_0$) ospitano stati legati discreti noti come stati di Caroli–de Gennes–Matricon (CdGM). Nei superconduttori convenzionali, la grande lunghezza di coerenza e il piccolo rapporto gap-energia di Fermi ($\Delta/E_F$) causano un allargamento termico e di tempo di vita di questi livelli, impedendone la risoluzione spettroscopica. Sebbene i cuprati ad alta $T_c$ possiedano lunghezze di coerenza corte, i loro parametri d'ordine nodali creano uno spettro quasi continuo che oscura gli stati discreti.

I superconduttori a base di ferro, specificamente FeTe$_{1-x}$Se$_x$, offrono un'alternativa favorevole grazie alle loro brevi lunghezze di coerenza, all'elevato rapporto $\Delta/E_F$ e al parametro d'ordine $s_{\pm}$ privo di nodi. Tuttavia, sebbene la spettroscopia a scansione a effetto tunnel (STS) abbia risolto le densità locali di stati statiche in questi materiali, essa non può accedere all'elicità (manualità) delle quasiparticelle dei nuclei dei vortici imposta dal campo magnetico. Gli autori mirano a risolvere l'elicità e l'origine di banda di queste quasiparticelle in modo dinamico.

Metodologia
Lo studio impiega la spettroscopia magneto-ottica Faraday nel regime dei terahertz (THz) su film sottili epitassiali di FeTe$_{1-x}$Se$_x$ (specificamente $x=0.15$ e $x=0.38$) con temperature critiche ($T_c$) intorno a 13 K. L'apparato sperimentale utilizza radiazione THz a polarizzazione circolare generata da una lampada ad arco di mercurio e un interferometro di Martin-Puplett, che attraversa un magnete superconduttore.

Il principio fisico fondamentale si basa su rigide regole di selezione del momento angolare per le transizioni ottiche tra i livelli CdGM. Poiché i fotoni trasportano momento angolare $\hbar$, le transizioni tra stati CdGM occupati e non occupati sono selettive rispetto alla polarizzazione:

• I portatori di tipo elettrone assorbono la radiazione a polarizzazione circolare destrorsa (transizioni da $\mu = -1/2$ a $\mu = +1/2$).
• I portatori di tipo buco assorbono la radiazione a polarizzazione sinistrorsa (transizioni da $\mu = +1/2$ a $\mu = -1/2$).

Questa selettività di polarizzazione induce una differenza negli indici di rifrazione per la luce destrorsa e sinistrorsa ($N_+$ e $N_-$), risultando in una rotazione di Faraday ($\theta_F$). L'angolo di rotazione è direttamente proporzionale alla differenza nella risposta ottica tra le due elicità, permettendo agli autori di sondare la dinamica dei nuclei dei vortici e distinguere tra i contributi delle bande elettroniche e di buco.

Risultati Chiave
Gli autori hanno risolto con successo risonanze CdGM a lungo tempo di vita con polarizzazioni circolari opposte per le bande di tipo elettrone e di tipo buco. Le scoperte principali includono:

1. Dinamica risolta per banda: Gli spettri di rotazione di Faraday esibiscono segni e dipendenze in frequenza distinti per i due campioni. Per $x=0.38$, la rotazione è prevalentemente positiva, mentre per $x=0.15$, cambia segno attraverso l'intervallo di frequenza. Ciò conferma che sia gli stati CdGM elettronici che quelli di buco contribuiscono alla risposta, con i loro pesi relativi che cambiano con la sostituzione isovalente $x$.
2. Estrazione dei parametri: Accoppiando il modello teorico che coinvolge la massa del vortice dipendente dalla frequenza e la conducibilità ottica alla dipendenza della rotazione di Faraday dal campo magnetico e dalla temperatura, gli autori hanno determinato indipendentemente:
   • Tempi di vita delle quasiparticelle ($\tau$): Che variano da 0,41 ps a 0,80 ps a seconda della banda e della composizione.
   • Masse dei vortici: La massa efficace del vortice per unità di lunghezza è stata derivata, mostrando valori distinti per le bande elettroniche e di buco.
   • Lunghezze di coerenza ($\xi_0$) e campi critici superiori ($B_{c2}$): Stimati per ogni banda. Per $x=0.38$, entrambi i condensati hanno lunghezze di coerenza simili (~1,7–2,0 nm). Per $x=0.15$, il condensato elettronico ha una lunghezza di coerenza più lunga (2,7 nm) rispetto al condensato di buco (1,7 nm).
   • Densità dei portatori: La somma delle densità dei portatori nel nucleo del vortice rimane relativamente costante, ma il rapporto tra densità elettronica e di buco cambia con $x$.
3. Evoluzione sistematica: Lo studio rivela una ridistribuzione sistematica del peso superfluido tra le bande elettroniche e di buco in funzione della sostituzione Te/Se ($x$). La "pressione chimica" derivante dalla sostituzione modifica le dimensioni relative delle tasche di Fermi, alterando le densità dei portatori e i tempi di vita.
4. Verifica del regime: I parametri derivati confermano che questi film operano nel "limite moderatamente pulito" ($\omega_0 \tau \gtrsim 1$), dove esistono risonanze ben definite e il cammino libero medio è comparabile o maggiore della lunghezza di coerenza.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo stabilisce la magneto-ottica a terahertz come una sonda diretta delle eccitazioni elicoidali dei nuclei dei vortici. La significatività primaria risiede nella capacità di:

• Risolvere l'elicità: Accedere direttamente alla chiralità delle quasiparticelle dei nuclei dei vortici, una capacità non disponibile nelle misure STS statiche.
• Evidenza dinamica: Fornire evidenza dinamica per gli stati CdGM multiband nei superconduttori a base di ferro, distinguendo i contributi delle bande elettroniche e di buco alla massa del vortice e alla densità superfluidica.
• Caratterizzazione indipendente: Consentire la determinazione indipendente delle lunghezze di coerenza e dei campi critici superiori per le singole bande all'interno di un superconduttore multiband senza fare affidamento su ipotesi di accoppiamento interbanda.

Gli autori concludono che questo approccio magneto-ottico fornisce una via per la spettroscopia con risoluzione della chiralità della materia dei vortici in superconduttori complessi, applicabile a qualsiasi superconduttore di tipo II con lunghezze di coerenza sufficientemente corte, inclusi i sistemi a fermioni pesanti e le eterostrutture ingegnerizzate. Il lavoro non pretende di risolvere gli effetti di accoppiamento interbanda, notando che l'analisi è stata eseguita nell'ambito di un quadro di condensati non interagenti.