Subnanosecond magneto-optic probing of a superconductor using a continuous-wave laser

The expulsion of an external magnetic field upon cooling, known as the Meissner-Ochsenfeld effect, is an essential feature of superconductivity. Recently, experiments on a number of materials have shown evidence of light-induced superconductivity, based on the optical conductivity extracted from THz reflectivity measurements. Sensing an expulsion of a magnetic field in such a state would be a milestone on the path towards the understanding and control of complex quantum systems. In 2021 evidence of a light-induced superconductor with a lifetime larger than 10 ns has been reported. To characterize this state, a continuous-wave magneto-optic detection setup has been developed based on a helium-neon continuous-wave probe laser. The technique achieves a sensitivity of 0.6 μT/√Hz, along with a sub-nanosecond time resolution which allows a fast and accurate measurement of a magnetic field change upon mid-infrared excitation. The method has been tested on a set of different laser-driven materials: indium antimonide, bismuth-substituted yttrium-iron garnet and on an alkali-doped fulleride K3C60 pellet. In the latter, the dynamics of the destruction of superconductivity has been characterized. The technique also opens up the possibility to study a wide range of other metastable light-induced states of matter, especially magnetic systems.

L’espulsione di un campo magnetico dall’interno di un superconduttore raffreddato al di sotto della propria temperatura critica è una caratteristica essenziale della superconduttività. Negli ultimi anni diversi esperimenti hanno mostrato evidenze di superconduttività foto-indotta, sulla base di osservazioni sulla conduttività ottica estratta da misure di riflettività THz. Osservare un'espulsione di un campo magnetico in tale stato sarebbe una pietra miliare nel percorso verso la comprensione e il controllo di sistemi quantistici complessi. Nel 2021 è stato osservato un superconduttore foto-indotto con un tempo di vita lungo più di 10 ns. Per caratterizzare tale stato metastabile è stato sviluppato un metodo di misura basato su un laser a onda-continua elio-neon. La tecnica è caratterizzata da una sensibilità di 0,6 μRad/√Hz e una risoluzione temporale inferiore al nanosecondo che consente una misurazione rapida e accurata di variazioni del campo magnetico in un materiale eccitato nel medio infrarosso. Il metodo è stato testato su diversi materiali eccitati da impulsi laser ultraveloci: antimoniuro di indio, granato di ittrio-ferro sostituito con bismuto e su un pellet di K3C60. Quest’ultimo è stato utilizzato per caratterizzare la dinamica della distruzione della superconduttività con impulsi laser nel medio infrarosso. La tecnica permette di studiare un'ampia gamma di altri stati della materia metastabili indotti dalla luce, in particolare i sistemi magnetici.