[論文レビュー] Cooper Pair Breakup in YBCO under Strong Terahertz Fields

Andreas Glossner, Caihong Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Terahertz technology and applications被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、強力なテラヘルツ場（約30 kV/cm）が、YBa₂Cu₃O₇₋δ（YBCO）において多数のクーパー対の破壊を引き起こし、光子エネルギー（1.5 meV）が超伝導ギャップ（20–30 meV）よりもはるかに小さいにもかかわらず、超伝導スペクトル重みと運動エネルギーインダクタンスが著しく低下することを示している。この効果は加熱や直接的な光子励起ではなく、有効結合関数の場による変化に起因し、強力なテラヘルツ励起を用いた高温超伝導体の超高速制御のための新規メカニズムを明らかにしている。

ABSTRACT

We show that strong electric fields of ~ 30 kV cm^(-1) at terahertz frequencies can significantly weaken the superconducting characteristics of cuprate superconductors. High-power terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) was used to investigate the in-plane conductivity of YBa2Cu3O7-delta (YBCO) with highly intense single-cycle terahertz pulses. Even though the terahertz photon energy (~ 1.5 meV) was significantly smaller than the energy gap in YBCO (~ 20-30 meV), the optical conductivity was highly sensitive to the field strength of the applied terahertz transients. Possibly, this is due to an ultrafast, field-induced modification of the superconductor's effective coupling function, leading to a massive Cooper pair breakup. The effect was evident for several YBCO thin films on MgO and LSAT substrates.

研究の動機と目的

• 従来の分光法の限界を超えて、強力なテラヘルツ電場に対する高温超伝導体（高Tc銅酸化物）の応答を調査すること。
• YBCO薄膜において、場誘起効果と熱的および光子誘起プロセスを分離すること。
• 低エネルギー光子（ギャップ内）でも、強力なテラヘルツパルスがクーパー対の破壊を誘発できるかどうかを特定すること。
• 高場励起下での超伝導体の有効結合関数の超高速変化を調べること。
• 光学伝導度およびスペクトル重みの場依存変化を測定し、超伝導秩序の抑制を定量化すること。

提案手法

• 45 nmおよび120 nmのYBCO薄膜を用い、ピーク電場が約30 kV/cmに達する一周期の強力なテラヘルツパルス下で、面内伝導度を高パワー・テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）を用いて測定した。
• パルスは、傾きをもたせたパルス前面法を用いたLiNbO₃結晶における光誘起整流効果により生成され、0.2–1 THzの帯域幅がサブピコ秒で達成された。
• 電気光学的サンプリングにより、低温でも高い信号対雑音比で透過テラヘルツパルスの時間分解検出が可能となった。
• 時間領域波形から複素伝導度を抽出し、二流体モデルを用いて超伝導状態（fs）と常時状態（fn）のスペクトル重み寄与を分離した。
• 二流体モデルは、σ = σ₁ + iσ₂ = (ne²/m*)[(fn/(τ⁻¹ - iω)) - (fs/(iω))] として適用され、ここで fs + fn = 1 である。
• 測定は、Tc = 88 Kの下および上でのLSATおよびMgO基板上に形成された45 nmおよび120 nmのYBCO薄膜で実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子エネルギーが超伝導ギャップよりも著しく低い状態でも、強力なテラヘルツ場がYBCOにおけるクーパー対の破壊を誘発できるか？
• RQ2 観察された超伝導性の抑制は、加熱、光子励起、それとも有効結合関数の場誘起的変化によるものか？
• RQ3 高場テラヘルツ励起下で、伝導度の実部および虚部はどのように変化するか？
• RQ4 YBCOの運動エネルギーインダクタンスは、強力なテラヘルツ場下でどの程度変化し、これは超伝導流体密度にどのような意味を持つのか？
• RQ5 場依存スペクトル重み（fs）を、クーパー対の破壊度と定量的に関連付けることができるか？

主な発見

• 34 Kで、テラヘルツ場強度が上昇するに従い、超伝導スペクトル重みfsが急激に低下し、クーパー対密度の著しい減少を示した。
• 虚部（σ₂）は低下し、実部（σ₁）は増加したため、超伝導流体応答の喪失と常時状態に類似した伝導度の増強が示された。
• 低周波数帯域で、高場下では透過度が著しく向上した。これは、クーパー対の破壊に起因する運動エネルギーインダクタンスの強い低下を示している。
• LSATおよびMgO基板上に形成された複数のYBCO薄膜で同様の効果が観察され、その強度と再現性が確認された。
• 低パルスエネルギーおよびギャップ内光子エネルギー（1.5 meV）にもかかわらず、この場誘起的変化が観察されたため、加熱や直接的光励起のメカニズムは除外された。
• データは、有効結合関数の場誘起的変化が、加熱を伴わず超高速かつ可逆的にクーパー対を破壊することを示唆している。