[논문 리뷰] Light-induced inhomogeneous superconductivity far above Tc in YBa2Cu3O6+x

S. Kaiser, D. Nicoletti외 9명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 21.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 아피칼 산소 진동에 공명하는 중적외선 레이저 펄스가 YBa2Cu3O6+x에서 일시적인 비균일한 초전도 상태를 유도함으로써, 초전도 전이 온도 Tc 이상에서도 공명 반사도 경계와 일관된 비정상적인 초전도 상태를 유지함을 보여주며, 이는 초전도 상태가 정상 상태에서도 피코초 간격으로 지속된다는 것을 시사한다. 이는 비평형 초전도성의 비정상적인 특성을 드러낸다.

ABSTRACT

We report on a photo-induced transient state of YBa2Cu2O6+x in which transport perpendicular to the Cu-O planes becomes highly coherent. This effect is achieved by excitation with mid-infrared optical pulses, tuned to the resonant frequency of apical oxygen vibrations, which modulate both lattice and electronic properties. Below the superconducting transition temperature Tc, the equilibrium signatures of superconducting interlayer coupling are enhanced. Most strikingly, the optical excitation induces a new reflectivity edge at higher frequency than the equilibrium Josephson plasma resonance, with a concomitant enhancement of the low frequency imaginary conductivity. Above Tc, the incoherent equilibrium conductivity becomes highly coherent, with the appearance of a reflectivity edge and a positive imaginary conductivity that increases with decreasing frequency. These features are observed up to room temperature in YBa2Cu2O6.45 and YBa2Cu2O6.5. The data above Tc can be fitted by hypothesizing that the light re-establishes a transient superconducting state over only a fraction of the solid, with a lifetime of a few picoseconds. Non-superconducting transport could also explain these observations, although one would have to assume transient carrier mobilities near 10^4 cm^2/(V.sec) at 100 K, with a density of charge carriers similar to the below Tc superfluid density. Our results are indicative of highly unconventional non-equilibrium physics and open new prospects for optical control of complex solids.

연구 동기 및 목표

• 초전도 전이 온도 Tc 이상에서 구리산염의 비평형 광학적 제어를 통한 초전도 관련성 연구
• 중적외선 자극이 YBa2Cu3O6+x에서 Tc 이상에서도 일관된 다층 간 전도를 유도할 수 있는지 확인하기
• 상부 산소 격자 진동이 일시적인 전자 일관성의 매개 역할을 하는지 탐색하기
• 관측된 광학적 반응에 대한 설명으로서 빛에 의해 유도된 초전도 상태와 비초전도 상태의 일시적 실체 이동도 간의 차이를 구분하기

제안 방법

• YBa2Cu3O6+x 단결정에 상부 산소 진동의 공명 주파수에 맞춘 중적외선 광학 펄스 조사
• 초고속 광학 스펙트로스코피를 사용하여 시간에 따라 변화하는 반사도와 도전도 측정을 통한 일시적 전자 및 격자 반응 탐색
• 주파수 의존성 복소 도전도 분석을 통해 반사도 경계의 발생과 저주파수 영역에서의 상승한 허수 도전도에 초점
• Tc 이상의 광학 데이터를 비정상적인 초전도 상태를 가정한 모델로 피팅하며, 유한한 위상 일관성 길이와 피코초 수준의 수명을 고려함
• 초전도 상태에서의 평형 조셉슨 플라즈마 공명과 초전도 밀도와의 비교
• 일시적 고이동도 실체가 초전도 밀도 수준과 유사한 농도를 가진 비초전도 상태의 설명을 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중적외선 광학 자극을 통해 YBa2Cu3O6+x에서 Tc 이상에서도 일관된 다층 간 전도를 유도할 수 있는가?
• RQ2 상부 산소 격자 진동은 일시적인 초전도 관련성의 매개 역할을 하는가?
• RQ3 Tc 이상에서 관측된 반사도 경계는 일시적인 초전도 상태에서 기인하는가, 아니면 비초전도 실체 운동도에서 기인하는가?
• RQ4 광학 자극 이후 일시적인 초전도 관련성이 얼마나 오래 지속되는가?
• RQ5 Tc 이상의 광학 반응은 비균일한 빛 유도 초전도성 모델로 정량적으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 광학 자극 후 반사도 경계가 평형 조셉슨 플라즈마 공명보다 높은 주파수에서 나타나며, Tc 이상에서도 관측됨
• Tc 이상에서 저주파수 영역에서의 허수 도전도가 주파수가 감소함에 따라 증가하여 일시 상태에서의 일관성이 향상됨을 시사함
• 일시적 광학 반응이 수 피코초 간격으로 지속되며, 짧은 수명의 초전도 유사 상태와 일치함
• YBa2Cu3O6.45와 YBa2Cu3O6.5에서 실온까지도 효과가 관측되어 Tc를 초월한 강건성 확인됨
• Tc 이상의 데이터는 전형적인 비초전도 실체 이동도가 아닌, 물질의 일부에서 일시적인 초전도 상태를 가정할 경우에만 잘 맞음
• 비초전도적 설명은 100 K에서 약 10^4 cm²/(V·s) 수준의 일시적 실체 이동도를 요구하며, 초전도 모델에 비해 매우 부자연스럽음