[論文レビュー] Theory for Anomalous Terahertz Emission in Striped Cuprate Superconductors

Pavel E. Dolgirev, Marios H. Michael+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 56被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、ドーピングされた銅酸化物超伝導体（例：La2−xBa xCuO4）における異常なテラヘルツ放射が、空間反転対称性の破れを示すストライプ相における2次光学非線形性によって駆動されるアンムクラップ光電流に起因するものであると提唱する。これらの電流は、ジョセフソンプラズモン共鳴周波数（ωJPR ≈ 0.5 THz）で表面ジョセフソンプラズモンを共鳴的に励起し、鋭い実験的観測結果と一致するテラヘルツ放射を生じる。このメカニズムは、超伝導秩序とストライプ秩序が同時に存在する必要があり、非起動対称性材料における異常放射の起源を説明する。

ABSTRACT

Recent experiments in the doped cuprates La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$ have revealed the emission of anomalous terahertz radiation after impulsive optical excitation. Here, we theoretically investigate the nonlinear electrodynamics of such striped superconductors and explore the origin of the observed radiation. We argue that photoexcitation is converted into a photocurrent by a second-order optical nonlinearity, which is activated by the breaking of inversion symmetry in certain stripe configurations. We point out the importance of including Umklapp photocurrents modulated at the stripe periodicity itself, which impulsively drive surface Josephson plasmons and lead to a resonant structure of outgoing radiation, consistent with the experiments. We speculate on the utility of the proposed mechanism in the context of generating tunable terahertz radiation.

研究の動機と目的

• ドーピングされた銅酸化物超伝導体（例：La2−xBa xCuO4）における光学励起後の異常なテラヘルツ放射の起源を説明すること。
• 外部バイアスのない、非起動対称性を示す超伝導体においてテラヘルツ放射が生じるというパラドックスを解明すること。
• ストライプ秩序が、通常は無効な表面ジョセフソンプラズモンに光学活性を付与する役割を特定すること。
• アンムクラップ光電流（反転対称性の破れとCDW周期性に起因）が、共鳴的テラヘルツ放射に不可欠であることを示すこと。

提案手法

• 2次光電流生成を記述するためのランク3の伝導度テンソルを用いて、ストライプ超伝導体の非線形電磁力学をモデル化する。
• 零運動量（J₀）およびアンムクラップ（Jᵤ）光電流成分を含み、JᵤはCDW波数QCDWで変調される。
• 体積および表面モードを組み込んだ誘電関数を用いて、表面ジョセフソンプラズモン（JPs）の励起を解く。
• 実験的テラヘルツ放射と比較可能な発光スペクトル関数f(ω)を計算し、体積および表面プラズモン寄与を区別する。
• 等方的超伝導体モデルを用いて表面および体積共鳴を分離し、鋭い発光ピークが表面JPsに起因するのみであることを確認する。
• 反射率スペクトルを分析し、遠方場測定が表面モードに感度が低いため、表面効果がこれまで実験的に検出されなかったことを説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストライプ相の銅酸化物超伝導体において、ネット電流や磁場が存在しないにもかかわらず、なぜジョセフソンプラズモン共鳴周波数（ωJPR ≈ 0.5 THz）で鋭いテラヘルツ放射が生じるのか？
• RQ2 電荷秩序（ストライプ）が、通常は対称性によって禁止されていた表面ジョセフソンプラズモンに、なぜテラヘルツ波の放射を可能にするのか？
• RQ3 アンムクラップ光電流が共鳴放射を駆動する役割を果たす理由は何か？なぜそれが観測された鋭いスペクトルピークに不可欠なのか？
• RQ4 励起周波数（Ωpm ≈ 375 THz）ははるかに高いにもかかわらず、なぜ発光スペクトルがωJPR ≈ 0.5 THzで鋭くピークするのか？
• RQ5 観測された発光は体積プラズモン励起によって説明可能か、それとも表面モードの結合が不可欠なのか？

主な発見

• ωJPR ≈ 0.5 THzにおける鋭いテラヘルツ発光ピークは、体積モードではなく、アンムクラップ光電流によって駆動される表面ジョセフソンプラズモンの共鳴励起に起因する。
• 運動量q = QCDWを運ぶアンムクラップ光電流は、表面プラズモンを駆動し、観測された鋭い発光を生じる上で不可欠であり、零運動量光電流では鋭い発光は得られない。
• 等方的超伝導体において、表面プラズモン共鳴は明確に体積共鳴から分離され、実験で観測された鋭いピークが表面モードに起因することを確認する。
• 発光スペクトルf(ω)は、Jᵤ ≠ 0のときのみ表面共鳴に明確な鋭いピークを示し、アンムクラップ電流の共鳴励起における役割を確認する。
• 反射率測定（R(ω)）は表面モードに感度が低く、わずかな体積プラズモン分裂しか検出できないため、表面効果がこれまで実験的に検出されなかったことを説明する。
• 中程度のストライプ振幅（A ≈ 0.1ε∞,c）でさえ、有限運動量モードへの結合がテラヘルツ発光を顕著に増幅するが、反射率ではその痕跡が見えない。