[논문 리뷰] Theory for Anomalous Terahertz Emission in Striped Cuprate Superconductors

Pavel E. Dolgirev, Marios H. Michael외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 56인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 라운드-바르- Copper 산화물 초전도체인 La2−xBa xCuO4와 같은 스트립형 커퍼레이트 초전도체에서의 비정상적인 테라헤르츠 방출이, 대칭성 파괴된 스트립 상에서의 2차 광학 비선형성에 의해 유도된 Umklapp 광전류에 기인한다고 제안한다. 이러한 전류는 조지프슨 플라즈몬 공진주파수(ωJPR ≈ 0.5 THz)에서 표면 조지프슨 플라즈몬을 공진적으로 자극하여 날카럽고 실험적으로 관측된 테라헤르츠 복사를 생성한다. 이 메커니즘은 초전도성과 스트립 순서가 동시에 존재해야만 가능하며, 이는 대칭성 중심을 갖는 물질에서 비정상적인 방출의 기원을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 도핑된 커퍼레이트, 예를 들어 La2−xBa xCuO4에서 광학적 자극 후 관측된 비정상적인 테라헤르츠 방출의 기원을 설명하기.
• 외부 전압이 가해지지 않은 채로 대칭성 중심을 갖는 초전도체에서 테라헤르츠 복사가 발생하는 역설을 해결하기.
• 스트립 순서가 기존에는 금지된 표면 조지프슨 플라즈몬의 광학적 활성화에 기여하는 역할을 규명하기.
• Umklapp 광전류—비대칭성과 CDW 파장 주기성에 의해 유도되는 것—이 공진적 테라헤르츠 방출에 필수적임을 입증하기.

제안 방법

• 2차 광전류 생성을 기술하기 위해 랭크-3 도전도 텐서를 사용하여 스트립 초전도체의 비선형 전기역학을 모델링하기.
• 영동량(J₀) 및 Umklapp(Jᵤ) 광전류 성분을 모두 포함하며, Jᵤ는 CDW 波벡터 QCDW 에 의해 조절된다.
• 표면 조지프슨 플라즈몬(JPs)의 자극을 구하기 위해 표면 및 부피 모드를 모두 포함하는 유전율 반응 함수를 사용한다.
• 실험적 테라헤르츠 방출과 비교하기 위해 방출 스펙트럼 함수 f(ω)를 계산하며, 부피 및 표면 플라즈몬 기여를 구분한다.
• 등방성 초전도체 모델을 사용하여 표면 및 부피 공진을 분리함으로써, 날카로운 방출 피크가 표면 JPs에 의해 유도됨을 확인한다.
• 반사도 스펙트럼 분석을 통해 장거리 측정이 표면 모드를 감지하지 못함을 보여주며, 이는 부피 플라즈몬 분리가 실험적으로 약하게 관측되는 이유를 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 스트립형 커퍼레이트에서 광학 자극이 네트워크 전류나 자장이 없음에도 불구하고 조지프슨 플라즈몬 공진주파수에서 날카로운 테라헤르츠 방출을 유도하는가?
• RQ2 왜 전하 순서(스트립)가 존재할 경우, 기존에는 금지된 표면 조지프슨 플라즈몬이 테라헤르츠 파장을 방출할 수 있게 되는가?
• RQ3 Umklapp 광전류는 공진적 방출을 어떻게 유도하는가? 왜 이들은 관측된 날카로운 스펙트럼 피크에 필수적인가?
• RQ4 왜 방출 스펙트럼은 ωJPR ≈ 0.5 THz에서 날카롭게 피크를 이룬다 할지라도, 펌프 주파수는 훨씬 높은 (Ωpm ≈ 375 THz)가 되는가?
• RQ5 관측된 방출은 부피 플라즈몬 자극에 의해 설명될 수 있는가, 아니면 표면 모드 결합이 필수적인가?

주요 결과

• ωJPR ≈ 0.5 THz에서의 날카로운 테라헤르츠 방출 피크는 부피 모드가 아니라 Umklapp 광전류에 의한 표면 조지프슨 플라즈몬의 공진 자극에서 기인한다.
• 운동량 q = QCDW 를 지닌 Umklapp 광전류는 표면 플라즈몬을 자극하고 관측된 날카로운 방출을 생성하는 데 필수적이며, 영동량 광전류는 오직 넓은 방출만을 유도한다.
• 등방성 초전도체에서 표면 플라즈몬 공진은 부피 공진과 명확히 분리되어 있으며, 이는 실험에서 관측된 날카로운 피크가 표면 모드에서 기인한다는 것을 확인한다.
• 방출 스펙트럼 f(ω)는 Jᵤ ≠ 0 인 경우에만 표면 공진에서 명확한 날카로운 피크를 보이며, Umklapp 전류의 공진 자극 기여를 확인한다.
• 반사도 측정(R(ω))는 표면 모드에 민감하지 않으며 부피 플라즈몬 분리만 약하게 감지하므로, 이는 표면 효과가 이전에 실험적으로 미발견된 이유를 설명한다.
• 조금만 강한 스트립 진폭(A ≈ 0.1ε∞,c)이라도, 유한 운동량 모드와의 결합이 테라헤르츠 방출을 크게 증폭시키며, 이는 반사도에서는 보이지 않는다.