The Signal
La luce terahertz distingue gli stati elettronici e di lacuna nei nuclei dei vortici
Un gruppo di ricerca di Rutgers e dell’Estonia ha usato la spettroscopia Faraday terahertz per distinguere gli stati quantistici di tipo elettronico e di tipo lacuna nei superconduttori a base di tellururo–seleniuro di ferro. Le misurazioni
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
«Sfruttando transizioni ottiche selettive rispetto alla polarizzazione, distinguiamo direttamente l’elicità e l’origine di banda delle quasiparticelle nei nuclei dei vortici».
T. Rõõm, A. Glezer Moshe, R. Nagarajan, U. Nagel, Hee Taek Yi, Seongshik Oh e G. Blumberg, Physical Review Letters
La luce terahertz permette di distinguere due tipi di stati quantistici intrappolati all’interno dei vortici magnetici di un superconduttore, secondo uno studio pubblicato su Physical Review Letters il 23 ottobre 2026. I ricercatori hanno effettuato misurazioni su film di tellururo–seleniuro di ferro, distinguendo le risposte associate alle particelle di tipo elettronico e di tipo lacuna in base alla polarizzazione circolare della luce assorbita da ciascuna. Rutgers University ha descritto il lavoro il 28 ottobre.
La luce legge la chiralità degli stati dei vortici
I vortici si formano quando i campi magnetici penetrano in molti superconduttori. All’interno di ciascun nucleo, di dimensioni ridotte, dove la superconduttività è indebolita, le quasiparticelle occupano livelli energetici discreti noti come stati di Caroli–de Gennes–Matricon. Questi livelli possono essere difficili da distinguere nei materiali in cui sono troppo vicini tra loro; il gruppo ha scelto film a base di ferro con lunghezze di coerenza ridotte, che contribuiscono a mantenere distinti gli stati.
Il gruppo ha utilizzato la spettroscopia magneto-ottica Faraday terahertz, facendo passare la luce attraverso un film e misurando come cambiava la sua polarizzazione. Lo studio descrive risposte opposte alla polarizzazione circolare per le due bande: i portatori di tipo elettronico rispondono alla luce con polarizzazione circolare sinistrorsa, quelli di tipo lacuna alla luce con polarizzazione circolare destrorsa. «Cercando queste transizioni con luce di diversa chiralità, è possibile distinguerle», ha dichiarato nel resoconto dell’università Girsh Blumberg, professore illustre del Dipartimento di fisica e astronomia di Rutgers e coautore dello studio.
Due film con temperature di transizione quasi identiche
Per le misurazioni sono stati utilizzati due film epitassiali spessi 40 nanometri, FeTe1−xSex, con composizioni di selenio x = 0,15 e x = 0,38. Le rispettive temperature di transizione superconduttiva ricavate dall’adattamento erano 12,8 kelvin e 12,9 kelvin. Nonostante questa stretta corrispondenza, i contributi delle bande all’interno dei nuclei dei vortici differivano notevolmente.
Per il film con x = 0,15, la densità di portatori di tipo elettronico nel nucleo del vortice ricavata dall’adattamento era di 0,26 × 1027 per metro cubo, rispetto a 0,07 × 1027 per i portatori di tipo lacuna: un rapporto di circa 3,7 a 1. Nel film con x = 0,38, i valori corrispondenti erano 0,17 × 1027 e 0,19 × 1027, prossimi a una ripartizione paritaria. Si tratta di parametri ricavati dall’adattamento della risposta ottica, non di conteggi diretti delle singole particelle.
Le risonanze rivelano tempi di vita diversi
Anche le frequenze di risonanza e i tempi di vita ricavati dall’adattamento variavano a seconda della banda e della composizione. Nel film con x = 0,15, le risonanze di tipo elettronico e di tipo lacuna erano rispettivamente di 0,36 e 0,99 terahertz, con tempi di vita ricavati dall’adattamento di 0,41 e 0,71 picosecondi. Per x = 0,38, le risonanze erano di 0,89 e 0,72 terahertz, mentre i tempi di vita erano di 0,80 e 0,61 picosecondi.
A 15 tesla, il film con x = 0,38 ha prodotto una rotazione di Faraday prossima a 75 milliradianti intorno a 0,3 terahertz, riferisce lo studio. I ricercatori hanno usato la risposta risolta in polarizzazione per stimare le masse dei vortici, le lunghezze di coerenza e i campi critici superiori specifici per ciascuna banda, oltre ai tempi di vita delle quasiparticelle. Le misurazioni rendono accessibile attraverso la luce la dinamica interna del vortice, anziché soltanto la sua struttura elettronica locale statica.
L’analisi lascia aperta la questione dell’accoppiamento tra bande
Il confronto tra le composizioni mostra che temperature di transizione superconduttiva quasi uguali non garantiscono proprietà simili nei nuclei dei vortici. La variazione del rapporto tra tellurio e selenio modifica l’equilibrio tra i portatori di tipo elettronico e di tipo lacuna ricavato dall’adattamento e ne cambia le frequenze di transizione caratteristiche e i tempi di vita. Questo offre ai ricercatori un modo per esaminare come la composizione rimodelli i contributi delle singole bande all’interno di un vortice superconduttivo.
Gli autori pongono anche un limite alla loro interpretazione: la loro analisi considera i due condensati come non interagenti. Osservano che l’accoppiamento tra condensati, escluso dal modello, potrebbe ibridare gli stati di Caroli–de Gennes–Matricon appartenenti a bande diverse. I valori riportati per ciascuna banda derivano quindi da un modello che non include tale mescolamento tra bande.