[論文レビュー] Exploring Superconductivity under Strong Coupling with the Vacuum Electromagnetic Field

Anoop Thomas, Eloı̈se Devaux+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2019

Strong Light-Matter Interactions被引用数 46

ひとこと要約

補足情報は、電子-格子結合の協調的強化を示す拡張された実験・理論的枠組みを提示しており、フォノンが表面プラズモン極性子および真空光子に強く結合すると超伝導体で電子-格子結合が協調的に強化されることを示す。データはYBCOおよびPS/Au界面と、詳細なポリトンモデルを含む。

ABSTRACT

Light-matter interactions have generated considerable interest as a means to manipulate material properties. Light-induced superconductivity has been demonstrated using pulsed lasers. An attractive alternative possibility is to exploit strong light-matter interactions arising by coupling phonons to the vacuum electromagnetic field of a cavity mode as has been suggested and theoretically studied. Here we explore this possibility for two very different superconductors, namely YBCO (YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$) and Rb$_3$C$_{60}$, coupled to surface plasmon polaritons, using a novel cooperative effect based on the presence of a strongly coupled vibrational environment allowing efficient dressing of the otherwise weakly coupled phonon bands of these compounds. By placing the superconductor-surface plasmon system in a SQUID magnetometer, we find that the superconducting transition temperatures ($T_{c}$) for both compounds are modified in the absence of any external laser field. For YBCO, $T_{c}$ decreases from 92 K to 86 K while for Rb$_3$C$_{60}$, it increases from 30 K to 45 K at normal pressures. In the latter case, a simple theoretical framework is provided to understand these results based on an enhancement of the electron-phonon coupling. This proof-of-principle study opens a new tool box to not only modify superconducting materials but also to understand the mechanistic details of different superconductors.

研究の動機と目的

• 薄膜における真空電磁場および表面プラズモン極性子への強結合が超伝導特性を変化させ得るかを動機づけ、検討する。
• 強結合下でのTcの変化を特定するための温度依存的磁化とFT-IRデータを提供する。
• 結合系での電子-格子耦合のrenormalizationを定量化する理論的ポリトン--フォノン枠組みを開発する。
• ATR測定から結合強度を抽出し、それを超伝導挙動と関連づける方法を提供する。

提案手法

• 物質（超伝導体中のフォノンおよび高分子のフォノン）と金-誘電体界面の光子モードを組み合わせたポリトンハミルトニアンを構築する。
• 混成フォノン部を対角化してフォノン分解モードとそれらの混成を得る。
• brightおよびdarkな混成モードと光学的ドレッシングの存在下での電子-格子結合パラメータlambdaを導出する。
• Dyson方程式形式でbright/darkモードの自己エネルギーとフォノンエネルギーのrenormalizationを計算する。
• ポリマー振動モードのイオン性等方振動数を抽出するためにATR分散データをフィットさせ、結合強度を推定する。
• lambdaの拡張Delta lambda/ lambda0を解析的に表現し、large-q挙動について議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子振動モードが表面プラズモン極性子および真空光子と強結合すると、超伝導体における電子-格子結合は強化され得るか。
• RQ2 SCフォノン、PSフォノン、および光子モードの協同相互作用は薄膜のTcまたは超伝導発現にどのように影響するか。
• RQ3 ポリトニック混成とlambdaのrenormalizationを反映する磁化とATRスペクトルの観察可能な特徴は何か。
• RQ4 与えられた充填率とデタuningの下でlambda拡張の定量的な大きさを予測するモデルは構築できるか。

主な発見

• YBCOとポリマーを含む薄膜は、強い光-物質結合下で超伝導挙動が変化している可能性を示す磁気的サインを示し、controlでTcは約92 K、強結合ケースで86 Kへ低下と報告されている。
• AgおよびPt上の強結合YBCOは、bareまたはオン共振でない参照と比較して超伝導発現がシフトしており、Tcは約86 Kとなる。
• PVAcを用いたオフ共振YBCOでは強結合効果が観察されず、観測された変化は共振光-物質相互作用に依存することを示唆する。
• 理論モデルは、SCフォノンがSPPおよびPS振動モードによって dressing されることにより電子-格子結合が協調的に増強されることを予測し、明示的表現式（Delta lambda/ lambda0を含む）で定量化する。
• 混成フォノンモードとポラトンは、共振付近で反交差とモード混成を最大化し、counter-rotating項に起因するポラトニックギャップを生じさせる。
• ATRに基づくフィッティングは、提案された結合機構を支持するPSモードのイオン性プラズマ周波数を得る（nu1, nu2値は議論されている）。