Efektivní hmotnost supravodivých vírů určena poprvé pro YBa₂Cu₃O_7−δ

Setrvačná hmotnost supravodivého víru byla předpovězena již v roce 1965. Od té doby vzniklo mnoho teoretických odhadů, které se navzájem liší o více než osm řádů. Existuje však jen několik málo experimentů. Naše unikátní zařízení umožňuje sledovat poměr transmise levotočivé a pravotočivé kruhové polarizace terahertzového záření v závislosti na teplotě a magnetickém poli. Z těchto experimentálních dat jsme určili efektivní hmotnost supravodivých vírů v optimálně dopovaném YBa₂Cu₃O_7-δ a potvrdili tak platnost jedné z teorií. Výsledky byly publikovány v časopise Scientific Reports.

Vířivý pohyb pozorujeme nejčastěji na vodní hladině nebo v atmosféře. Víry daleko větších rozměrů jsou viditelné jako barevné skvrny na Jupiteru nebo tmavé skvrny na Slunci. Největšími známými objekty ve vesmíru, které tvoří strukturu víru, jsou spirální galaxie. Mikroskopické poloměry mají naopak víry v supratekutém héliu, neutronových hvězdách nebo supravodičích. Snaha pochopit tyto fyzikální jevy se prolíná mnoha různými obory, dotýká se fundamentálních otázek a vede k zajímavým aplikacím. Některé teorie například popisují supravodivé víry analogicky s problémem baryonové asymetrie neboli přebytku hmoty nad antihmotou. Neméně zajímavé je potenciální využití supravodivých vírů ve fluxonice jako informačních bitů nebo kvantových bitů.

Při ochlazení pod určitou kritickou teplotu mají supravodivé materiály schopnost vést elektrický proud beze ztrát. Podle chování v magnetickém poli rozlišujeme dva druhy supravodičů. Supravodiče prvního typu vypuzují ze svého objemu magnetické pole, což znamená, že magnetické siločáry obtékají vzorek. V případě supravodičů druhého typu proniká magnetické pole do vzorku prostřednictvím lokální čarové poruchy, kvantovaného supravodivého víru. Tato porucha představuje topologicky stabilní útvar složený z normálního jádra o průměru jednotek až desítek nanometrů, kolem něhož krouží elektrony supravodivého kondenzátu sdružené do tzv. Cooperových párů. Směr rotace supravodivého proudu kolem jádra je dán orientací vektoru magnetického pole B. Nejmenší možný svazek magnetických siločar, které procházejí normálním jádrem, nese kvantum magnetického toku Φ₀ = ħ/(πe) ≈ 2×10^-15 Wb. Magnetický tok vzorkem je úměrný počtu vytvořených vírů, Φ = NΦ₀. Kvantované víry procházejí celým objemem supravodiče, jsou velmi stabilní a můžeme s nimi pohybovat pomocí vnějšího elektrického pole, podobně jako to děláme v našem experimentu znázorněném v krátké animaci.

V klasické newtonovské mechanice chápeme hmotnost jako skalární veličinu, která určuje odpověď tělesa na působení vnějších sil. Odezva supravodivých vírů na terahertzové oscilace je mnohem složitější. V souladu s teorií dynamiky vírů podle Kopnina a Vinokura definujeme hmotnost jako frekvenčně závislý komplexní tenzor, který ve stejnosměrné limitě nabývá reálných hodnot. Vztah mezi hybností a rychlostí pak zapíšeme ve tvaru p = μ_∥ v – μ_⊥ [v × z] pomocí dvou nezávislých komponent tenzoru hmotnosti μ_∥ a μ_⊥. Kopninovu-Vinokurovu teorii jsme dále upravili tak, abychom mohli vypočítat propustnost kruhově polarizovaného terahertzového záření skrze tenkou supravodivou vrstvu. Zajímá nás především poměr propustností levotočivé a pravotočivé kruhové polarizace, neboli kruhový dichroismus, který jsme pozorovali u vysokoteplotního supravodiče YBa₂Cu₃O_7-δ. Všechny materiálové parametry vzorku potřebné pro teoretický výpočet jsme získali z nezávislých experimentů -- měřením stejnosměrné vodivosti a metodou teraherztové časově rozlišené spektroskopie. Velmi dobrá shoda teorie s experimentem nám umožnila určit hmotnost supravodivých vírů. V limitě nulové frekvence a při teplotě 45 K jsme obdrželi pro diagonální komponentu μ_∥ = 2.2×10⁸ m_e/cm a pro nediagonální komponentu μ_⊥= 4.9×10⁸ m_e/cm vyjádřenou v jednotkách hmotnosti elektronu na jednotku délky víru.