[論文レビュー] Terahertz pulse-driven collective mode in the nematic superconducting state of Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$

Romain Grasset, Kota Katsumi+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Iron-based superconductors research参考文献 61被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、鉄基超伝導体 Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂ における集団モードを強力なテラヘルツ（THz）パルスを用いて調べ、ネミティック性に起因する集団モードがヒッグス振幅モードとは異なることを明らかにした。ネミティック性と超伝導性が共存する相において、THzケル効果信号は C4 対称性から完全にネミティック性に移行しており、これは s+d 波ペアリングの混合がネミティック秩序によって駆動される新たな超伝導集団モード（おそらくバーダシス＝シュリーファー・モード）が存在することを示唆している。

ABSTRACT

We investigate the iron-based superconductor Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ using intense terahertz (THz) light. In the superconducting state a THz Kerr signal is observed and assigned to non-linear THz coupling to superconducting degrees of freedom. The polarization dependence of the THz Kerr signal is remarkably sensitive to the coexistence of a nematic order. In the absence of nematic order the $C_4$ symmetric polarization dependence of the THz Kerr signal is consistent with a coupling to the Higgs amplitude mode of the superconducting condensate. In the coexisting nematic and superconducting state the signal becomes purely nematic with a vanishing $C_4$ symmetric component, signaling the emergence of a new superconducting collective mode activated by nematicity.

研究の動機と目的

• 鉄基超伝導体におけるネミティック秩序が超伝導集団モードに与える影響を調査すること。
• ネミティック性が超伝導状態における非線形THz応答をどのように変化させるかを特定すること。
• ネミティック性と超伝導性が共存する相で新たに観測された集団モードの性質を同定すること。
• 偏光依存性THzケル分光法を用いて、ヒッグスモードカップリングと他の集団モードを区別すること。

提案手法

• 1.5 eV の近赤外（NIR）プローブパルスと100 fs未満のTHzパルスを用いた、強力なTHzポンプ-光学反射率プローブ（TPOP）測定を実施した。
• THz電場強度の二乗に比例する瞬間的なTHzケル効果を測定し、非線形光学応答を調べた。
• D4h点群における三次非線形感受率χ(3)の偏光依存性を解析し、C4対称成分とネミティック（B1g）成分に分解した。
• ネミティック異方性下でのヒッグスモード応答を理論的モデリングし、観測信号が電子構造の異方性のみで説明可能かどうかを検証した。
• 単一結晶2種（UD37：ネミティック秩序なし、Tc = 37 K）と（UD26：ネミティック秩序と超伝導秩序が共存、Tc = 26 K）の実験結果を比較した。
• ラマン分光法とARPESデータを用いて、THzポンプエネルギーがΓ中心のホールバンドの超伝導ギャップ（2Δh ≈ 20 cm⁻¹）に対応することを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂ におけるネミティック秩序は、ヒッグス振幅モードを超える新たな超伝導集団モードを誘発するか？
• RQ2 ネミティック秩序が超伝導性と共存する際、THzケル信号の偏光依存性はどのように変化するか？
• RQ3 観測されたTHzケル信号のネミティック成分は、電子構造の異方性のみで説明可能か？
• RQ4 ネミティック-超伝導相においてC4対称成分が完全に抑制される理由は何か？
• RQ5 観測されたモードは、混合s+d波超伝導状態におけるバーダシス＝シュリーファー・モードと整合的か？

主な発見

• ネミティック秩序が存在しない状態（UD37）では、THzケル信号はC4対称性を示し、ヒッグス振幅モードへの非線形カップリングと整合的である。
• ネミティック秩序と超伝導秩序が共存する相（UD26）では、THzケル信号はC4対称成分が消えて完全にネミティック性を示す。
• C4対称成分の完全な抑制は、電子的異方性のみでは説明できず、ヒッグスモードを超える新たな集団モードの存在を示唆する。
• 理論的モデリングにより、ネミティック分裂エネルギーだけでは観測されたネミティックチャネルにおける信号優位性を説明できないことが判明した。
• データは、s+d波超伝導状態においてネミティック秩序パラメータとカップリングする新たな集団モード（おそらくバーダシス＝シュリーファー・モード）の出現を強く示唆している。
• UD26ではUD37に比べて信号の減衰が著しく強いことから、C2相におけるd波成分の混合に起因するギャップ異方性の増大が支持される。