[논문 리뷰] Revealing strong coupling of collective modes between superconductivity and pseudogap in cuprate superconductor by terahertz third harmonic generation

J. Y. Yuan, Lianping Shi외 22명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 박막에서 초전도성의 힉스 모드와 허위간극 상의 집단 모드 사이의 강한 동적 결합을 폭넓은 도핑 범위에서 드러내기 위해 테라헤르츠 제3차 고조파 생성(THG) 분광법을 사용한다. Tc 근처에서 실시간 THG 웨이브폼에 나타나는 번짐 패tern과 주파수 분할 16%는 강한 결합에 대한 직접적 증거를 제공하며, 이는 허위간극이 초전도성의 전구단계가 아니라 별개의 대칭성 깨짐 상임을 시사한다.

ABSTRACT

The study of interaction between different degrees of freedom in solids is of fundamental importance to understand the functionalities of materials. One striking example of such interaction is the intertwined coupling or competition between superconductivity (SC), charge density wave (CDW), pseudogap state (PG), and other exotic phases in cuprate superconductors. Recent emergence of nonlinear Terahertz (THz) third harmonic generation (THG) spectroscopy provides a powerful tool for exploring the collective (Higgs) modes of superconductivity order parameters, and its interaction with intertwined/competing phases. In this study, we report on nonlinear THz THG spectroscopy of the YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$ (YBCO) thin films with different doping. We identify a characteristic temperature $T_{THG}$, below which third order suscepetility $χ^{(3)}$ emerges. Notably, the $T_{THG}$ is coincident with the crossover temperature $T^*$ of pseudogap in a wide range doping of phase diagram. Upon entering the superconducting state, THG increases sharply but exhibits an abnormal dip feature near $T_c$ which is more clearly seen in optimally doped sample. Strikingly, we observe a beating structure directly in the measured real time waveform of THG signal. Fourier transformation of the time domain waveform gives two separate modes below and above original THG frequency. The observation strongly indicates that an additional mode, presumably Higgs mode, appears at $T_c$ and couples to the mode already developed below $T^*$. The strong coupling effect offers new insight into the interplay between superconductivity and pseudogap. The result unambiguously suggests that the pseudogap phase is not a precursor of superconductivity but represents a distinct order.

연구 동기 및 목표

• 비선형 테라헤르츠 분광법을 사용하여 쿠퍼레이트에서 초전도성과 허위간극 상의 상호작용을 조사한다.
• 허위간극 상태가 초전도성의 전구단계인지, 아니면 별개의 대칭성 깨짐 상인지 규명한다.
• 테라헤르츠 영역에서 제3차 고조파 생성을 통해 초전도 상태와 허위간극 상태의 집단 모드를 탐사한다.
• 관측된 비선형 응답의 성격과 상도도도 상에서의 온도 의존성을 규명한다.
• 힉스 모드와 허위간극 집단 모드 사이의 강한 결합이 비선형 광학 응답을 어떻게 유도하는지 탐색한다.

제안 방법

• 다양한 도핑 농도를 가진 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 박막에 대해 테라헤르츠 제3차 고조파 생성(THG) 분광법을 적용하였다.
• 비선형 감도도 χ⁽³⁾의 발생을 추적하기 위해 온도 의존성 THG 측정을 실시하였다.
• 실시간 THG 신호 웨이브폼을 분석하여 결합된 진동의 징후가 되는 번짐 패tern을 탐지하였다.
• 시간 영역의 THG 신호에 푸리에 변환을 적용하여 주파수 성분을 해석하고 분할을 추출하였다.
• 하이브리드 모드의 대칭성을 평가하기 위해 편광 의존성 측정을 수행하였다.
• THG의 발생 온도(T_THG)를 도핑 상도도도 상에서의 기존의 상전이 온도(T*, Tc)와 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허위간극 상은 매크로스코픽 초전도성의 전구단계인가, 아니면 별개의 대칭성 깨짐 상인가?
• RQ2 허위간극 영역에서 관측된 집단 모드의 성격은 무엇이며, 초전도성 힉스 모드와 어떻게 결합하는가?
• RQ3 Tc 근처에서 관측된 THG 웨이브폼의 번짐 패턴은 두 개의 별개의 모드 사이의 강한 동적 결합을 나타내는가?
• RQ4 힉스 모드와 허위간극 모드 사이의 결합 강도가 도핑 농도와 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 정상 상태에서 Tc 이상에서 제3차 고조파 신호의 미세한 기원은 무엇이며, 전하 밀도 변동과 관련이 있는가?

주요 결과

• 세기적인 온도 T_THG가 도핑 범위 전반에서 제3차 감도도 χ⁽³⁾의 발생과 동시에 나타나며, 이는 허위간극 전이 온도 T*와 일치한다.
• 초전도 상태로 진입함에 따라 THG 신호가 급격히 증가하지만, Tc 근처에서는 비정상적인 곡선을 보이며, 특히 최적 도핑 샘플에서 가장 명확하게 관측된다.
• Tc 근처에서 실시간 THG 웨이브폼에서 직접적으로 번짐 패턴을 관측하여 두 개의 진동 모드 간의 위상 일치된 결합을 확인하였다.
• 푸리에 분석을 통해 원래 THG 주파수 이하 및 이상의 두 개의 주파수 성분을 확인하여 하이브리드 모드 존재를 확인하였다.
• 스펙트럼 분할 Δω/ω는 16%에 달하여, 힉스 모드와 허위간극 집단 모드 사이의 놀랄 만큼 강한 결합을 시사한다.
• 하이브리드 모드의 편광 의존성은 등방성이며, 이는 힉스 모드와 허위간극 반응의 등방성 성질과 일치한다.