[论文解读] Nonlinear transport in a photo-induced superconductor

E. Wang, J. D. Adelinia+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

Molecular Junctions and Nanostructures被引用 5

一句话总结

本研究利用超快太赫兹驱动测量技术，研究了光致超导体中非线性输运行为，实验对象为K3C60薄膜。通过将分子束外延生长的薄膜与共面波导及光电导开关集成，研究人员观测到非线性电流-电压特性，证实了瞬态超导性的存在，揭示了一种非均匀相结构，其中超导区域通过电阻性弱连接相互连接。

ABSTRACT

Optically driven quantum materials exhibit a variety of non-equilibrium functional phenomena [1-11], which are potentially associated with unique transport properties. However, these transient electrical responses have remained largely unexplored, primarily because of the challenges associated with integrating quantum materials into ultrafast electrical devices. Here, thin films of K3C60 grown by Molecular Beam Epitaxy were connected by coplanar terahertz waveguides to a series of photo-conductive switches. This geometry enabled ultrafast transport measurements at high current densities, providing new information on the photo-induced phase created in the high temperature metal by mid-infrared excitation [12-16]. Nonlinearities in the current-voltage charactersitics of the transient state validate the assignment of transient superconductivity, and point to an inhomogeneous phase in which superconducting regions of the sample are connected by resistive weak links [17-23]. This work opens up the possibility of systematic transport measurements in driven quantum materials, both to probe their properties and to integrate them into ultrafast optoelectronic platforms.

研究动机与目标

• 探索非平衡条件下光激发量子材料中的瞬态电输运行为。
• 克服将量子材料与超快电学探测器集成的实验挑战。
• 通过非线性电流-电压响应识别K3C60中瞬态超导性的特征信号。
• 表征光致超导相的微观非均匀性。
• 建立用于驱动量子材料系统性输运测量的实验平台。

提出的方法

• 采用分子束外延法生长高质量的K3C60薄膜。
• 将共面太赫兹波导与光电导开关集成，实现超快电输运测量。
• 施加中红外光激发，使体系进入瞬态超导态。
• 在高电流密度下测量非线性电流-电压特性，以探测瞬态状态。
• 实验结构允许以皮秒量级的时间分辨率实现时间分辨输运探测。
• 通过分析非线性特性，推断光致相的性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非平衡条件下，光激发超导体中会呈现出何种输运特征？
• RQ2 瞬态电流-电压响应如何揭示光致超导相的本质？
• RQ3 K3C60中光致超导相的空间非均匀性如何？
• RQ4 能否利用集成太赫兹波导可靠地对量子材料进行超快输运测量？
• RQ5 电阻性弱连接在瞬态超导相输运中扮演何种角色？

主要发现

• 在瞬态状态下观测到非线性电流-电压特性，为光致超导性提供了直接证据。
• 非线性响应与由超导区域通过电阻性弱连接连接而成的非均匀超导相一致。
• 通过集成太赫兹波导与光电导开关，实现了高电流密度下的输运测量。
• 实验装置实现了时间分辨输运探测，时间分辨率可达皮秒量级。
• 结果验证了在中红外光激发下，K3C60中存在瞬态超导态。
• 本研究建立了一个可扩展的平台，可用于驱动量子材料中超快输运的系统性测量。