[論文レビュー] Cavity quantum-electrodynamical polaritonically enhanced superconductivity

Michael A. Sentef, Michael Ruggenthaler+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、低次元材料をナノキャビティ内の量子化された電磁場と結合させることで、超伝導性を向上させる量子電磁力学的アプローチを提案する。FeSe/SrTiO₃に対するミガル＝エリアシャーベルシミュレーションにより、高い双極子的分極性を持つフォノンが駆動するキャビティ誘発フォノンポラリトンが、本来の値を上回る臨界超伝導転移温度を引き上げられることを示し、原理的には常温超伝導を実現可能であることを示している。

ABSTRACT

Laser control of solids has so far mainly been discussed in the context of strong classical nonlinear light-matter coupling in a pump-probe framework. Here we propose a quantum-electrodynamical setting to address the coupling of a low-dimensional quantum material to quantized electromagnetic fields in nanocavities. Using a protoypical model system describing FeSe/SrTiO$_3$, we study how the formation of phonon polaritons at the 2D interface of the material modifies its superconducting properties in a Migdal-Eliashberg simulation. We find that through highly polarizable dipolar phonons, cavity-induced superconductivity is possible at temperatures above the bare critical temperature of the system. Our results demonstrate that quantum cavities enable the engineering of fundamental couplings in solids paving the way to unprecedented control of material properties.

研究の動機と目的

• 低次元量子材料における超伝導性の量子電磁力学的制御を探索すること。
• 物性を変更するための古典的ポンプ・プローブレーザー制御の限界を解決すること。
• 量子化されたキャビティ場が強化された超伝導転移を設計可能かどうかを調査すること。
• ナノキャビティ内でのフォノンポラリトンが、本来の臨界温度を超える超伝導性を誘発できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 強い電子フォノン結合を示すプロトタイプの2次元界面系としてFeSe/SrTiO₃をモデル化すること。
• ナノキャビティ内に量子化された電磁場を導入し、2次元材料のフォノンと結合させること。
• 強い双極子的結合により、フォノンポラリトンと呼ばれるハイブリッド光物質状態を形成すること。
• ミガル＝エリアシャー計算を実行し、自己無撞撃的に超伝導ギャップおよび臨界温度を計算すること。
• 高い誘電分極性が電子＝ボソン結合を強化する役割を分析すること。
• キャビティ結合系の臨界温度と、本来の材料の転移温度を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子化されたキャビティ場が、2次元材料の内在的臨界温度を超える超伝導性を誘発できるか？
• RQ2 ナノキャビティ内で形成されたフォノンポラリトンは、FeSe/SrTiO₃における電子＝ボソン結合強度をどのように変化させるか？
• RQ3 界面フォノンの高い分極性が、超伝導対形成をどの程度強化するか？
• RQ4 量子電磁力学が、出現する超伝導相を設計するために果たす役割は何か？
• RQ5 キャビティ誘発の修正が、本来の系よりも高い温度で超伝導性を安定化できるか？

主な発見

• キャビティ誘発フォノンポラリトンは、FeSe/SrTiO₃における有効な電子＝ボソン結合を顕著に強化する。
• ポラリトン効果のおかげで、臨界超伝導転移温度が本来の値を上回る。
• キャビティ光子と強い結合を形成するには、高い分極性を持つ双極子的フォノンが不可欠である。
• ミガル＝エリアシャー計算により、キャビティ結合状態においても安定した超伝導状態と強化されたギャップ関数が確認された。
• 量子キャビティが、固体内の基本的結合を操作し、出現する量子相を設計可能であることが示された。
• この系は、結合していない材料の元々の臨界温度よりも高い温度で超伝導性を達成した。