[論文レビュー] Parametrically amplified phase-incoherent superconductivity in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$

Alexander von Hoegen, M. Fechner+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、光励起下でのYBa₂Cu₃O₆₊ₓにおける2.5-THz電子モードのパラメトリック増幅を実証し、時間・角度分解2次高調波生成を用いて一時的で位相非一様な超伝導性を明らかにした。ジョセフソンプラズモンのパラメトリック3波混合理論により、1000倍の増幅が説明され、準位相領域における非平衡超伝導性の微視的メカニズムが提示された。

ABSTRACT

The possibility of enhancing desirable functional properties of complex materials by optical driving is motivating a series of studies of their nonlinear terahertz response. In high-Tc cuprates, large amplitude excitation of certain infrared-active lattice vibrations has been shown to induce transient features in the reflectivity suggestive of non-equilibrium superconductivity. Yet, a microscopic mechanism for these observations is still lacking. Here, we report measurements of time- and scattering-angle-dependent second-harmonic generation in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$, taken under the same excitation conditions that result in superconductor-like terahertz reflectivity. We discover a three-order-of-magnitude amplification of a 2.5-terahertz electronic mode, which is unique because of its symmetry, momentum, and temperature dependence. A theory for parametric three-wave amplification of Josephson plasmons, which are assumed to be well-formed below T$_c$ but overdamped throughout the pseudogap phase, explains all these observations and provides a mechanism for non-equilibrium superconductivity. More broadly, our work underscores the role of parametric mode mixing to stabilize fluctuating orders in quantum materials.

研究の動機と目的

• 強力なテラヘルツ励起下における高Tc銅酸化物で観測された一時的超伝導性の微視的起源を特定すること。
• 位相非一様な超伝導揺らぎが光駆動によって増幅および安定化可能かどうかを特定すること。
• 強相関材料における非線形光学応答と出現する量子秩序との間の関係を確立すること。
• 非平衡超伝導状態における集団モードのパラメトリック増幅の理論的枠組みを構築すること。

提案手法

• 強力なテラヘルツ励起下でYBa₂Cu₃O₆₊ₓを用い、時間および散乱角分解2次高調波生成（SHG）測定を実施した。
• 実験により、2.5-THz電子モードの対称性、運動量依存性、温度依存性を調査した。
• 観測されたSHG増幅を説明するため、ジョセフソンプラズモンを含むパラメトリック3波増幅理論モデルを構築した。
• モデルでは、Tc未満ではジョセフソンプラズモンが良好に形成されるが、準位相領域では過剰に減衰すると仮定し、観測された増幅と整合した。
• 理論的予測を実験データと比較することで、パラメトリックモード混合のメカニズムを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テラヘルツ反射率の結果が示唆するように、光駆動によってYBa₂Cu₃O₆₊ₓで一時的かつ位相非一様な超伝導性が誘発されるか？
• RQ2 観測された2.5-THz電子モードの約1000倍の増幅の微視的起源は何か？
• RQ3 増幅されたモードの対称性、運動量依存性、温度依存性は、ジョセフソンプラズモン起源をどのように支持するか？
• RQ4 パラメトリック3波混合は、準位相領域における揺らぐ超伝導秩序の安定化を説明できるか？

主な発見

• 2次高調波生成により、光励起下で2.5-THz電子モードが約1000倍に増幅されたことが明らかになった。
• 増幅されたモードは、ジョセフソンプラズモン励起と整合する対称性および運動量依存性を示した。
• 増幅は強く温度依存的であり、Tcを超えると消失し、準位相領域でも持続することから、非平衡超伝導揺らぎであることが示された。
• 理論的モデリングにより、ジョセフソンプラズモンのパラメトリック3波混合が、観測された増幅および対称性特性を説明できることを確認した。
• 本研究の結果は、パラメトリックモード混合が、長距離位相相関がない状態においても量子材料における揺らぐ秩序を安定化できることを示した。