[論文レビュー] Light-induced inhomogeneous superconductivity far above Tc in YBa2Cu3O6+x

S. Kaiser, D. Nicoletti+9 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、アパカル酸素振動に共鳴する中赤外光パルスが、YBa2Cu3O6+xにおいて一時的で不均一な超伝導状態を誘発することを示しており、これは超伝導転移温度Tcを超えて、ピコ秒スケールで持続するコherentlyな層間輸送と、室温まで達する反射率エッジをもたらす。これは、光誘発超伝導相関が常温領域の正常状態でもピコ秒スケールで持続することを示しており、非平衡状態における非代替的超伝導性を明らかにする。

ABSTRACT

We report on a photo-induced transient state of YBa2Cu2O6+x in which transport perpendicular to the Cu-O planes becomes highly coherent. This effect is achieved by excitation with mid-infrared optical pulses, tuned to the resonant frequency of apical oxygen vibrations, which modulate both lattice and electronic properties. Below the superconducting transition temperature Tc, the equilibrium signatures of superconducting interlayer coupling are enhanced. Most strikingly, the optical excitation induces a new reflectivity edge at higher frequency than the equilibrium Josephson plasma resonance, with a concomitant enhancement of the low frequency imaginary conductivity. Above Tc, the incoherent equilibrium conductivity becomes highly coherent, with the appearance of a reflectivity edge and a positive imaginary conductivity that increases with decreasing frequency. These features are observed up to room temperature in YBa2Cu2O6.45 and YBa2Cu2O6.5. The data above Tc can be fitted by hypothesizing that the light re-establishes a transient superconducting state over only a fraction of the solid, with a lifetime of a few picoseconds. Non-superconducting transport could also explain these observations, although one would have to assume transient carrier mobilities near 10^4 cm^2/(V.sec) at 100 K, with a density of charge carriers similar to the below Tc superfluid density. Our results are indicative of highly unconventional non-equilibrium physics and open new prospects for optical control of complex solids.

研究の動機と目的

• 超伝導転移温度Tcを超えて、銅酸化物系における非平衡光学的制御による超伝導相関を調査すること。
• 中赤外励起が、Tcを超えてYBa2Cu3O6+xにおけるコherentな層間輸送を誘発できるかどうかを特定すること。
• アパカル酸素格子振動が一時的電子的コherencyを媒介する役割を果たすかを調査すること。
• 観察された光学的応答の説明として、光誘発超伝導秩序と非超伝導的一時的キャリア移動度のどちらが妥当かを区別すること。

提案手法

• アパカル酸素振動の共鳴周波数に合わせた中赤外光パルスをYBa2Cu3O6+x単結晶に照射する。
• 超短パルス分光法を用いて時間分解反射率および導電率を測定し、一時的電子的および格子応答を調べる。
• 周波数依存の複素導電率を分析し、反射率エッジの出現と低周波数領域における虚数部導電率の増大に注目する。
• Tcを超える光学データを、有限なコヒーレンス長とピコ秒スケールの寿命を持つ一時的超伝導状態を仮定したモデルでフィッティングする。
• 超伝導状態における平衡ジョゼフソンプラズマ共鳴と超伝導流体密度を観測応答と比較する。
• 一時的高移動度キャリア（超伝導流体密度と同等の密度を想定）を含む代替的説明を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤外光励起を用いて、Tcを超えてYBa2Cu3O6+xにおけるコherentな層間輸送を誘発できるか？
• RQ2 アパカル酸素格子振動が一時的超伝導相関を媒介する役割を果たすか？
• RQ3 Tcを超えて観察された反射率エッジは、一時的超伝導状態に起因するのか、それとも非超伝導的キャリアダイナミクスに起因するのか？
• RQ4 光励起後に、一時的超伝導相関はどの程度持続するか？
• RQ5 Tcを超える光学的応答は、不均一で光誘発超伝導のモデルによって定量的に説明可能か？

主な発見

• 光励起後、Tcを超えて、平衡ジョゼフソンプラズマ共鳴よりも高い周波数に反射率エッジが出現する。
• Tcを超えて、周波数が低下するにつれて低周波数領域の虚数部導電率が増大し、一時的状態におけるコヒーレンスの増強を示している。
• 一時的光学的応答は数ピコ秒にわたって持続しており、一時的で超伝導に類似した状態と整合的である。
• YBa2Cu3O6.45およびYBa2Cu3O6.5では、室温まで効果が観察され、Tcを超えての強靭性が示された。
• Tcを超えるデータは、材料の一部にわたるコヒーレンスを持つ一時的超伝導状態を仮定することでフィッティング可能であり、標準的な非超伝導的キャリア輸送では説明できない。
• 非超伝導的説明では、100 Kで10^4 cm²/(V·s)に近い一時的キャリア移動度を仮定する必要があるが、これは超伝導モデルに比べて極めて不自然である。