[論文レビュー] Giant resonant enhancement for photo-induced superconductivity in K$_3$C$_{60}$

E. Rowe, Bo Yuan+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、K₃C₆₀を約10 THzで励起した際、光誘起超伝導状態に巨大な共鳴増幅が観測され、超低フラクチュエーション（約400 μJ/cm²）で室温まで及ぶ準安定な超伝導的状態が達成された。10 THzにおける共鳴は、非平衡超伝導状態を支配する主要なエネルギースケールを示し、高温超伝導を誘発するための一致的で共鳴的なメカニズムを示唆している。

ABSTRACT

Photo-excitation at terahertz and mid-infrared frequencies has emerged as a new way to manipulate functionalities in quantum materials, in some cases creating non-equilibrium phases that have no equilibrium analogue. In K$_3$C$_{60}$, a metastable zero-resistance phase was documented with optical properties and pressure dependences compatible with non-equilibrium high temperature superconductivity. Here, we report the discovery of a dominant energy scale for this phenomenon, along with the demonstration of a giant increase in photo-susceptibility near 10 THz excitation frequency. At these drive frequencies a metastable superconducting-like phase is observed up to room temperature for fluences as low as ~400 $μJ/cm^2$. These findings shed light on the microscopic mechanism underlying photo-induced superconductivity. They also trace a path towards steady state operation, currently limited by the availability of a suitable high-repetition rate optical source at these frequencies.

研究の動機と目的

• K₃C₆₀における光誘起超伝導状態を支配する主要なエネルギースケールを特定すること。
• K₃C₆₀におけるテラヘルツおよび中赤外励起における光感受度の周波数依存性を調査すること。
• 高温で準安定な超伝導的状態を安定化させる条件を特定すること。
• 高繰り返し周波数光源を用いた非平衡超伝導状態の定常状態運用の可能性を検討すること。

提案手法

• K₃C₆₀薄膜を励起およびプローブするための時間分解テラヘルツおよび中赤外ポンププローブ分光法。
• 1–20 THzの周囲で励起周波数を系統的に変化させ、光感受度応答をマップすること。
• 一時的電導率および抵抗の測定により、ゼロ抵抗的状態の発生を特定すること。
• 熱的効果を最小限に抑えるために、低フラクチュエーション（約400 μJ/cm²）を用いて、一致的で非平衡なダイナミクスをプローブすること。
• 圧力および温度依存性の測定を通じて、光誘起状態の超伝導的挙動を確認すること。
• 集団モードへの共鳴結合の理論的モデルと実験結果を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K₃C₆₀において、どの励起周波数が最大の光感受度および非平衡超伝導状態の最大増幅をもたらすか？
• RQ2 光励起によって室温で準安定な超伝導的状態を安定化させることができるか？
• RQ3 K₃C₆₀における光誘起超伝導遷移を支配する主要なエネルギースケールは存在するか？
• RQ4 超伝導的状態を誘発するためのフラクチュエーション閾値が、励起周波数にどのように依存するか？
• RQ5 格子または電子モードへの共鳴結合が、高温光誘起超伝導を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• K₃C₆₀において、励起周波数が約10 THzのとき、光感受度に巨大な共鳴増幅が観測された。
• 10 THz励起下で、フラクチュエーションが約400 μJ/cm²の極めて低い値であっても、室温まで及ぶ準安定な超伝導的状態が安定化した。
• 10 THz周波数は、非平衡超伝導状態を支配する主要なエネルギースケールに対応している。
• 光誘起状態はゼロ抵抗的挙動および圧力依存性を示し、超伝導と整合的である。
• 10 THzにおける共鳴は、非平衡超伝導状態の生成効率を最大化するための重要な制御パrameterであると特定された。
• 結果から、集団モードの一致的で共鳴的な励起が、高温光誘起超伝導を達成するために不可欠であることが示唆された。