[論文レビュー] Nonlinear electrodynamics of a superconductor due to the redistribution of quasiparticles

Pieter de Visser, D. J. Goldie+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、200 mK未満および200 mKを超える温度におけるアルミニウムマイクロ波共振器の非線形電磁力学を調査し、マイクロ波入力が非平衡準粒子分布を引き起こし、共振器のQファクターおよび共振周波数を変化させることを示している。200 mK未満では、入力電力の増加に伴い、過剰な準粒子が生成されることでQファクターと共振周波数が低下する。200 mKを超えると、非平衡準粒子再分配のため、両者が増加する。これは直感に反する非線形応答であり、非平衡モデルが不可欠であることを示している。

ABSTRACT

In a superconductor absorption of photons with an energy below the superconducting gap leads to redistribution of quasiparticles over energy and thus induces a strong non-equilibrium quasiparticle energy distribution. We have measured the electrodynamic response, quality factor and resonant frequency, of a superconducting aluminium microwave resonator as a function of microwave power and temperature. Below 200 mK, both the quality factor and resonant frequency decrease with increasing microwave power, consistent with the creation of excess quasiparticles due to microwave absorption. Counterintuitively, above 200 mK, the quality factor and resonant frequency increase with increasing power. We demonstrate that the effect can only be understood by a non-thermal quasiparticle distribution.

研究の動機と目的

• 変動するマイクロ波入力電力および温度における超伝導アルミニウム共振器の非線形マイクロ波応答を理解すること。
• Qファクターおよび共振周波数といった共振器特性に影響を与える非平衡準粒子分布の役割を調査すること。
• 200 mKを超える温度で電力増加に伴いQファクターおよび共振周波数が増加するという直感に反する現象を解明すること。

提案手法

• マイクロ波入力電力および温度の関数として、超伝導アルミニウムマイクロ波共振器のQファクターおよび共振周波数を測定すること。
• 超伝導ギャップ未満の光子エネルギーを用いたマイクロ波励起により、対を破壊せずに準粒子再分配を誘発すること。
• 実験データを平衡状態および非平衡準粒子分布モデルと比較し、支配的メカニズムを同定すること。
• 電磁的応答の分析により、熱的平衡からの逸脱を特定すること。
• 200 mK未満から200 mKを超える温度にかけての温度依存的特性評価により、性質の変化の遷移を捉えること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温におけるマイクロ波入力電力の増加が、超伝導アルミニウム共振器のQファクターおよび共振周波数にどのように影響を与えるか？
• RQ2 200 mKを超える温度で、予想に反して入力電力の増加に伴いQファクターおよび共振周波数が増加するのはなぜか？
• RQ3 非平衡準粒子エネルギー分布が観察された非線形電磁力学に果たす役割は何か？
• RQ4 観察された挙動は平衡準粒子モデルで説明可能か、それとも非平衡分布が必須か？
• RQ5 共振器応答の性質が変化する臨界温度閾値は何か？

主な発見

• 200 mK未満では、光子吸収に起因する過剰準粒子の生成により、マイクロ波入力電力の増加に伴いQファクターおよび共振周波数が低下する。
• 200 mKを超えると、マイクロ波入力電力の増加に伴いQファクターおよび共振周波数が増加し、平衡モデルでは説明できない非線形応答を示す。
• 観察された挙動は、熱的準粒子分布とは整合せず、説明には非平衡準粒子エネルギー分布が必要である。
• 200 mKにおける性質の転移は、熱的エネルギー尺度と超伝導ギャップの相対的関係が変化する臨界点を示しており、準粒子ダイナミクスの性質が変化する。
• 結果として、低エネルギー光子でも、マイクロ波誘発準粒子再分配が非線形電磁力学を支配することが示された。