[論文レビュー] Nonlinear transport in a photo-induced superconductor

E. Wang, J. D. Adelinia+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、K3C60薄膜を用いた超高速テラヘルツ駆動測定を用いて、光誘発超伝導体における非線形輸送を調査した。分子線エpitaxy成長した薄膜を共面波ガイドと光起電力スイッチに接続することで、非線形な電流-電圧特性が観測され、一時的超伝導性が確認された。これは、抵抗性の弱い結合で接続された超伝導領域からなる不均一な相であることを示している。

ABSTRACT

Optically driven quantum materials exhibit a variety of non-equilibrium functional phenomena [1-11], which are potentially associated with unique transport properties. However, these transient electrical responses have remained largely unexplored, primarily because of the challenges associated with integrating quantum materials into ultrafast electrical devices. Here, thin films of K3C60 grown by Molecular Beam Epitaxy were connected by coplanar terahertz waveguides to a series of photo-conductive switches. This geometry enabled ultrafast transport measurements at high current densities, providing new information on the photo-induced phase created in the high temperature metal by mid-infrared excitation [12-16]. Nonlinearities in the current-voltage charactersitics of the transient state validate the assignment of transient superconductivity, and point to an inhomogeneous phase in which superconducting regions of the sample are connected by resistive weak links [17-23]. This work opens up the possibility of systematic transport measurements in driven quantum materials, both to probe their properties and to integrate them into ultrafast optoelectronic platforms.

研究の動機と目的

• 非平衡状態下における光励起量子材料の一時的電気的輸送を調査すること。
• 量子材料と超高速電気的プローブを統合する際の実験的課題を克服すること。
• K3C60における非線形電流-電圧応答を通じて、一時的超伝導性の兆候を同定すること。
• 光誘発超伝導相の微視的不均一性を特徴付けること。
• 駆動量子材料における体系的な輸送測定のためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 高品質なK3C60薄膜の成長に分子線エpitaxyが用いられた。
• 共面テラヘルツ波ガイドと光起電力スイッチを統合することで、超高速電気的輸送測定が可能になった。
• 中赤外光励起を適用して、系を一時的超伝導状態に駆動した。
• 高電流密度での非線形電流-電圧特性を測定し、一時的状態を調べた。
• 実験的幾何配置により、ピコ秒スケールの時間分解輸送検出が可能となった。
• 非線形性の解析を通じて、光誘発相の性質を推測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非平衡状態下における光励起超伝導体でどのような輸送的兆候が現れるか？
• RQ2 一時的電流-電圧応答は、光誘発超伝導相の性質をどのように露呈するか？
• RQ3 K3C60における光誘発超伝導相の空間的不均一性は何か？
• RQ4 統合されたテラヘルツ波ガイドを用いて、量子材料における超高速輸送測定を信頼性高く行うことができるか？
• RQ5 抵抗性の弱い結合は、一時的超伝導相の輸送にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 一時的状態で非線形電流-電圧特性が観測され、光誘発超伝導性の直接的証拠が得られた。
• 非線形応答は、抵抗性の弱い結合で接続された超伝導領域からなる不均一な超伝導相と整合的である。
• 統合されたテラヘルツ波ガイドと光起電力スイッチを用いて、高電流密度での輸送測定が達成された。
• 実験装置により、ピコ秒スケールの時間分解輸送検出が可能となった。
• 中赤外励起下におけるK3C60の一時的超伝導状態の存在が検証された。
• 本研究は、駆動量子材料における体系的な超高速輸送測定のスケーラブルなプラットフォームを確立した。