一项新技术展示了超导体中涡旋高速振荡的运动轨迹，其有效质量仅为预期的万分之一。

　　探测涡旋。(a)在线圈提供的外部磁场下，超导薄膜(灰色)中形成涡旋，并产生屏蔽电流(粉红色)。通过超导薄膜透射的红外脉冲提供了有关涡旋速度、质量和位置的信息；(b)约9 ps红外脉冲作用下的涡旋轨迹。图中颜色表示时间，从黄色(最早时间)到黑色(最晚时间)。该轨迹的水平范围约为1 µm，而垂直尺度被拉伸，范围仅为0.1 µm左右

　　在许多超导体中，施加足够强的磁场会使超导电子产生电流涡旋，它们随着稳定的屏蔽电流一起运动。为了进一步了解这些涡旋的动力学行为，研究人员已经将涡旋的轨迹可视化：它们在电磁驱动下以近太赫兹频率振荡。通过观察皮秒时间尺度下的涡旋运动，发现在这些条件下，涡旋的有效质量是预期的1/10000。这一结果对于发展强电流超导器件可能具备极其重大意义。

　　当超导体中传输的电流大于某一极值时超导电性将被破坏，这是强电流器件发展的一个重要问题。许多研究人员认为涡旋(在没有外部磁场的情况下也会形成)是这种所谓的“电流诱导淬灭”的来源。但是，确定涡旋如何导致超导电性淬灭需要更深入地了解涡旋，这第一步是要测量它们的运动。

　　几年前，东京大学的Sachiko Nakamura和她的同事开发了一种检测超导材料氮化铌中涡旋运动的技术：在超导薄膜中注入电流以产生涡旋，然后用红外脉冲照射薄膜，分析从薄膜出射的脉冲，不难发现脉冲中包括一个频率是输入频率两倍(二次谐波)的分量，该团队将二次谐波的产生归因于一维涡旋振荡。

　　Nakamura和她的同事们现在已经把这一技术发展到测量二维涡旋运动，研究人员制备了38 nm厚的铁基超导体FeSe0.5Te0.5 (FST)薄膜，并将其冷却到超导转变温度(16.5 K)以下。由线圈产生的磁场在薄膜中引起涡旋，同时诱导一个直径几毫米的环形屏蔽电流。与之前的实验类似，研究人员用20 ps红外 (0.3 THz)脉冲照射薄膜，并在透射光谱中检测到二次谐波，包括平行和垂直于入射脉冲偏振的两个偏振分量。

　　他们使用约1 mm尺寸的光束探测屏蔽电流环附近的区域，然后通过一系列分析透射波形，以重构该处一个典型涡旋的运动。该团队发现了一个振荡的、大致抛物线形的轨迹，而不是一条直线。这种轨迹来源于磁性涡旋和屏蔽电流之间的相互作用。Nakamura说，发现这种运动是这项工作中最令人兴奋的部分，“感觉就像我们在直接观察涡旋的二维运动”。

　　得到的测量数据表明，这些涡旋的移动速度高达300 km/s，比预计的要快得多。在日本京都大学研究太赫兹技术的Itsuhiro Kakeya表示，根据其惯性得出的涡旋有效质量远低于预期。他说：“一个涡旋的质量过去被认为相当于10000个自由电子，但这些根据结果得出，它与单个自由电子具有相同的数量级，令人非常惊讶。”这一发现支持了一种观点，即快速振荡的涡旋会留下许多最初被束缚在其中的非超导电子，它们并没有参与振荡过程。Nakamura指出，这样的一种情况意味着，在使用涡旋理论处理涡旋运动问题时，可以排除那些非超导电子的影响。

　　Kakeya认为，在皮秒时间尺度上实现超导涡旋运动的可视化是一项很重要的成就。在德国多特蒙德技术大学研究关联量子材料的王哲对此表示赞同。他说：“在文献中并不经常报道太赫兹二次谐波的产生。”这项新研究不仅报道了在一类新型超导体中发生的这一现象，还利用它来研究涡旋动力学等特性。Kakeya说：“由于其他实验方法已经观察到此类材料的一些独特性质，我们大家都希望它们与这种小涡旋质量之间的关系能获得阐明。”

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