[논문 리뷰] Exploring Superconductivity under Strong Coupling with the Vacuum Electromagnetic Field

Anoop Thomas, Eloı̈se Devaux외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 04.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 46

한 줄 요약

부록 정보는 강한 광-필드 결합에서 광자가 표면 플라즈몬 포토닉스 및 진공 광자와 강하게 결합할 때 초전도체에서 전자-포논 결합이 cooperative하게 강화된다는 확장된 실험적 및 이론적 프레임워크를 제시하며, YBCO 및 PS/Au 인터페이스에 대한 데이터와 상세한 폴리토닉 모델이 포함되어 있습니다.

ABSTRACT

Light-matter interactions have generated considerable interest as a means to manipulate material properties. Light-induced superconductivity has been demonstrated using pulsed lasers. An attractive alternative possibility is to exploit strong light-matter interactions arising by coupling phonons to the vacuum electromagnetic field of a cavity mode as has been suggested and theoretically studied. Here we explore this possibility for two very different superconductors, namely YBCO (YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$) and Rb$_3$C$_{60}$, coupled to surface plasmon polaritons, using a novel cooperative effect based on the presence of a strongly coupled vibrational environment allowing efficient dressing of the otherwise weakly coupled phonon bands of these compounds. By placing the superconductor-surface plasmon system in a SQUID magnetometer, we find that the superconducting transition temperatures ($T_{c}$) for both compounds are modified in the absence of any external laser field. For YBCO, $T_{c}$ decreases from 92 K to 86 K while for Rb$_3$C$_{60}$, it increases from 30 K to 45 K at normal pressures. In the latter case, a simple theoretical framework is provided to understand these results based on an enhancement of the electron-phonon coupling. This proof-of-principle study opens a new tool box to not only modify superconducting materials but also to understand the mechanistic details of different superconductors.

연구 동기 및 목표

• 박막에서의 진공 전자기장 및 표면 플라즈몬 폴라토닉스에 강한 결합이 초전도 특성을 수정할 수 있는지 동기화하고 탐구한다.
• 강한 결합 하에서 Tc 변화를 식별하기 위해 온도 의존 자화 및 FT-IR 데이터를 제공한다.
• 결합 시스템에서의 전자-포논 결합 렌즈효과를 정량화하기 위한 이론적 폴리토닉-포논 프레임워크를 개발한다.
• ATR 측정으로부터 결합 강도를 추출하는 방법을 제시하고 이를 초전도 거동과 연관시킨다.

제안 방법

• 물질(초전도체의 포논 및 고분자의 포논)과 금-유전체 계면의 광자 모드를 결합한 폴리토닉 해밀토니안을 구성한다.
• 하이브리드 포논 부문을 대각화하여 포논-분할 모드와 그 혼합도를 얻는다.
• 밝은 모드와 어두운 하이브리드 모드 및 광자 드레싱이 있는 상태에서 전자-포논 결합 매개변수 lambda를 도출한다.
• Dyson 방정식 형식을 이용하여 밝은/어두운 모드의 포논 에너지의 자기에너지를 계산하고 renormalization을 구한다.
• polys 에 대한 이온 플라즈마 주파수를 추정하고 결합 강도를 추정하기 위해 ATR 분산 데이터를 피팅한다.
• lambda 증가 Δlambda / lambda0의 해석적 표현식을 제공하고 큰-q 동작을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포논 모드가 표면 플라즈몬 폴라토닉스 및 진공 광자와 강하게 결합하면 전자-포논 결합이 초전도체에서 강화될 수 있는가?
• RQ2 SC 포논, PS 포논, 광자 모드 간의 협력적 상호작용이 얇은 박막의 Tc 또는 초전도 시작에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 극성자 혼합 및 lambda 재조정이 관찰 가능한 자화 및 ATR 스펙트럼에서 어떤 특징으로 나타나는가?
• RQ4 주어진 충전률 및 이탈공진에서 lambda 증가의 규모를 정량적으로 예측하는 모델이 가능한가?

주요 결과

• YBCO 및 고분자 내장 필름은 강한 빛-물질 결합 하에서 초전도 거동이 달라졌음을 시사하는 자기 신호의 변화를 보이며(대조군의 Tc는 약 92 K, 강하게 결합한 경우 86 K로 감소).
• Ag 및 Pt 위의 강하게 결합된 YBCO는 비저항 참조 또는 비공명 참조에 비해 초전도 시작이 이동되며 Tc가 약 86 K 근처로 나타난다.
• PVAc와 함께한 비공명 YBCO는 강한 결합 효과가 나타나지 않아, 관찰된 변화가 공명 광-물질 상호작용에 의존함을 시사한다.
• 이론 모델은 SPP 및 PS 진동 모드에 의해 SC 포논의 dressing으로 인해 전자-포논 결합이 협력적으로 증가하는 것을 예측하며, Δ lambda / lambda0의 명시적 표현식으로 정량화된다.
• 하이브리드 포논 모드와 폴라토폰은 공진 근처에서 반교차 및 모드 혼합을 보이며, 회전-반대 모멘트로 인해 폴라토닉 갭이 형성된다.
• ATR 기반 피팅은 제안된 결합 기전을 지지하는 PS 모드의 이온 플라즈마 주파수를 산출한다(nu1, nu2 값 언급).