Dynamical properties of vortices and quasiparticles in superconductors
Propriétés dynamiques des vortex et des quasiparticules dans les supraconducteurs
Résumé
The growing interest in superconductivity and its applications in modern ultrafast microelectronics stimulates the active study of various problems in this vast field of condensed matter physics. This dissertation, based on several publications, presents theoretical studies on some new aspects of the physics of vortices and quasiparticle excitations in a superconducting condensate.The first chapter is devoted to the most prominent manifestation of the superconductivity - quantum vortices, which nowadays are actively considered as possible elements of quantum computer and other microelectronic devices. An important means of physical control of such systems is the manipulation of individual vortices. Dynamic properties and associated dissipative processes caused by the vortex motion are determined both by the structure of vortex magnetic field and electronic arrangement of quasiparticles inside the vortex normal core. The vortex structure can be strongly modified in superconductors with defects of quite various sizes, especially in real crystals, where the appearance of imperfections is unavoidable. As an example we studied the electronic (or subgap) and electromagnetic configuration of the vortex in the vicinity of the planar defects. Our predictions can be useful in interpreting the current experimental results related to vortex imaging and may become a guide for the development of electronic vortex-based devices.In the second chapter the dynamics of the superconducting condensate exposed to the circularly polarized light radiation is discussed in the context of recently developed theory of inverse Faraday effect (IFE) for superconductors. More precisely we consider strongly nonlinear regime of IFE with respect to the order parameter and discuss the possibility of the trapping of the Abrikosov vortices by superconducting currents. The latter can be utilized as a useful tool for optical vortex generation giving rise to on-demand creation of the vortices without applying magnetic field. We have also studied IFE in the fluctuational regime above the critical temperature for the case of small superconducting rings, which, in turn, can be regarded as a promising application for superconducting fluxonics.The third chapter deals with nonequilibrium dynamics of the superconducting condensate in the presence of spin-splitting field mediated by spin-orbit interaction. In particular we examined the excitation of the amplitude modes of the order parameter (so-called Higgs modes) whose resonant behaviour is strongly determined by the applied Zeeman field. Such modes strongly modify the electromagnetic response of a superconductor and can be directly coupled to the external spin-splitting field. In addition, we considered how the intersection of different branches in the quasiparticle spectrum, caused by the Zeeman field, provokes a nonadiabatic tunneling of quasiparticle states. This leads to significant dynamic change of order parameter as well as the distribution function of quasiparticles, which can affect the transport and/or optical response of the superconductor.
L'intérêt croissant pour la supraconductivité et ses applications dans la microélectronique ultrarapide moderne stimule l'étude active de divers problèmes dans ce vaste domaine de la matière condensée. Cette thèse, basée sur plusieurs publications, présente des études théoriques des quelques nouveaux aspects de la physique des vortex et des excitations de quasiparticules dans un condensat supraconducteur.Le premier chapitre est consacré à la manifestation la plus importante de la supraconductivité - les vortex quantiques, qui sont aujourd'hui activement considérés comme des éléments possibles de l'ordinateur quantique et d'autres dispositifs microélectroniques. Un moyen important de contrôle physique de tels systèmes est la manipulation de vortex individuels. Les propriétés dynamiques et les processus dissipatifs associés provoqués par le mouvement du vortex sont déterminés à la fois par la structure du champ magnétique du vortex et l'arrangement électronique des quasiparticules à l'intérieur du noyau normal du vortex. La structure de vortex peut être fortement déformée dans les supraconducteurs présentant des défauts de tailles assez diverses, notamment dans les cristaux réels, où l'apparition d'imperfections est inévitable. A titre d'exemple nous avons étudié la configuration électronique (ou sous-gap) et électromagnétique du vortex au voisinage des défauts planaires. Nos prédictions peuvent être utiles pour interpréter les résultats expérimentaux récents liés à l'imagerie de vortex et peuvent devenir un guide utile pour le développement de dispositifs électroniques à base de vortex.Dans le deuxième chapitre, la dynamique du condensat supraconducteur exposé au rayonnement lumineux polarisé circulairement est étudié dans le contexte de la théorie récemment développée de l'effet Faraday inverse (EFI) pour les supraconducteurs. Plus précisément, nous considérons un régime fortement non linéaire du régime EFI par rapport au paramètre d'ordre et discutons la possibilité du piégeage des vortex d'Abrikosov par des courants supraconducteurs. Ce dernier peut être utilisé comme un outil utile pour la génération optiques des vortex donnant lieu à la création à la demande des vortex sans application de champ magnétique. Nous avons également étudié l'EFI dans le régime de fluctuationnel au-dessus de la température critique pour le cas de petits anneaux supraconducteurs, ce qui, à son tour, peut être considéré comme une application prometteuse pour la fluxonique supraconductrice.Le troisième chapitre traite la dynamique hors d'équilibre du condensat supraconducteur en présence d'un champ Zeeman médié par l'interaction spin-orbite. En particulier nous avons examiné l'excitation des modes d'amplitude du paramètre d'ordre (appelés modes de Higgs) dont le comportement résonant est fortement déterminé par le champ de Zeeman appliqué. De tels modes modifient fortement la réponse électromagnétique d'un supraconducteur et peuvent être directement couplés au champ Zeeman externe. De plus, nous avons examiné comment l'intersection de différentes branches dans le spectre des quasiparticules, causée par le champ de Zeeman, provoque un effet tunnel non adiabatique des états des quasiparticules. Cela conduit à un changement dynamique important du paramètre d'ordre ainsi que de la fonction de distribution des quasiparticules, ce qui peut affecter le transport et/ou la réponse optique du supraconducteur.
Origine : Version validée par le jury (STAR)