[論文レビュー] Infrared activation of Higgs mode by supercurrent injection in a superconductor NbN

Sachiko Nakamura, Yudai Iida+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ニオブニトライド（NbN）薄膜にdcスーパーキャリントを注入することで、ヒッグスモードが赤外活性化されることを示しており、線形光学伝導度測定によってその直接観測が可能になることを明らかにした。ω = 2Δにおける鋭い共鳴ピークは、ヒッグスモードの励起を確認するものであり、最近の理論予測を裏付け、超伝導体におけるヒッグスモードを調べるための新しい手法を確立した。

ABSTRACT

Higgs mode in superconductors, i.e. the collective amplitude mode of the order parameter does not associate with charge nor spin fluctuations, therefore it does not couple to the electromagnetic field in the linear response regime. On the contrary to this common understanding, here, we demonstrate that, if the dc supercurrent is introduced into the superconductor, the Higgs mode becomes infrared active and is directly observed in the linear optical conductivity measurement. We observed a sharp resonant peak at $\omega=2\Delta$ in the optical conductivity spectrum of a thin-film NbN in the presence of dc supercurrent, showing a reasonable agreement with the recent theoretical prediction. The method as proven by this work opens a new pathway to study the Higgs mode in a wide variety of superconductors.

研究の動機と目的

• 非平衡状態下で超伝導体のヒッグスモードが光学測定によって検出可能かどうかを調査すること。
• 長年の課題である、線形応答領域においてヒッグスモードが電磁場と結合しないことの克服。
• 最近の理論予測である、スーパーキャリント注入によってヒッグスモードが赤外活性化されることの実験的検証。
• 広範な超伝導体材料におけるヒッグスモードを調べるための新しい実験的プラットフォームの確立。

提案手法

• 時間反転対称性を破り、電磁場と結合を誘導するために、薄膜NbN超伝導体にdcスーパーキャリントを印加する。
• dcスーパーキャリントの存在下での線形光学伝導度を測定し、赤外活性モードを検出する。
• 光学分光法に適した高品質で明確な超伝導状態を実現するため、薄膜NbNを用いる。
• 観測された光学スペクトルを、ω = 2Δにおけるヒッグスモード励起の理論予測と比較する。
• 鋭い共鳴特徴を伝導度スペクトルで解像するため、標準的な光学分光法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 dcスーパーキャリントの適用によって、超伝導体のヒッグスモードが赤外活性化されるか。
• RQ2 dcスーパーキャリントによる注入下で観測された光学応答が、ω = 2Δにおけるヒッグスモード励起に対応するか。
• RQ3 実験的観測結果が、最近のスーパーキャリント誘起ヒッグスモード結合に関する理論予測と整合しているか。
• RQ4 この手法が、他の超伝導体材料におけるヒッグスモード研究に一般化可能か。

主な発見

• dcスーパーキャリントをNbN薄膜に注入すると、光学伝導度スペクトルにω = 2Δで鋭い共鳴ピークが現れる。
• 観測されたピークは、スーパーキャリントによる時間反転対称性の破れによって赤外活性化されたヒッグスモードであると特定された。
• ピーク位置がω = 2Δであることは、超伝導体におけるヒッグスモードエネルギーの理論予測と妥当な一致を示している。
• 結果は、スーパーキャリント注入によって、超伝導体におけるヒッグスモードの直接光学的検出が可能であることを確認した。