[논문 리뷰] Parametrically amplified phase-incoherent superconductivity in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$

Alexander von Hoegen, M. Fechner외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 19.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 47인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ에서 광학적 자극 조건 하에서 2.5-THz 전자 모드의 비선형 증폭을 입증하며, 시간 및 각도 해상도를 갖춘 두 번째 고조파 발생을 통해 일시적인 단계 비일관 초전도성의 존재를 규명한다. 조제프슨 플라즈몬의 비선형 삼파동 증폭 이론은 세 개의 주기적 증폭을 설명하며, 허구의 에너지 갭 상태에서 비평형 초전도성의 미세 구조 기반 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

The possibility of enhancing desirable functional properties of complex materials by optical driving is motivating a series of studies of their nonlinear terahertz response. In high-Tc cuprates, large amplitude excitation of certain infrared-active lattice vibrations has been shown to induce transient features in the reflectivity suggestive of non-equilibrium superconductivity. Yet, a microscopic mechanism for these observations is still lacking. Here, we report measurements of time- and scattering-angle-dependent second-harmonic generation in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$, taken under the same excitation conditions that result in superconductor-like terahertz reflectivity. We discover a three-order-of-magnitude amplification of a 2.5-terahertz electronic mode, which is unique because of its symmetry, momentum, and temperature dependence. A theory for parametric three-wave amplification of Josephson plasmons, which are assumed to be well-formed below T$_c$ but overdamped throughout the pseudogap phase, explains all these observations and provides a mechanism for non-equilibrium superconductivity. More broadly, our work underscores the role of parametric mode mixing to stabilize fluctuating orders in quantum materials.

연구 동기 및 목표

• 강한 테라헤르츠 자극 하에서 고임계 코발트산염에서 관측된 일시적 초전도성의 미세 구조 기원을 규명하는 것.
• 광학적 구동에 의해 단기적으로 발생하는 단계 비일관 초전도성 변동이 증폭되고 안정화될 수 있는지 확인하는 것.
• 강한 상관관계 물질에서 비선형 광학 반응과 새로운 양자 순서 간의 연결 고리를 설정하는 것.
• 비평형 초전도 상태에서 집합 모드의 비선형 증폭을 위한 이론적 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 강한 테라헤르츠 자극 하에서 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ에 대해 시간 및 산란각 해상도를 갖춘 두 번째 고조파 발생(SHG) 측정을 수행하였다.
• 실험은 2.5-THz 전자 모드의 대칭성, 운동량 및 온도 의존성을 탐구하였다.
• 관측된 SHG 증폭을 설명하기 위해 조제프슨 플라즈몬을 포함하는 비선형 삼파동 증폭 이론 모델을 수립하였다.
• 모델은 Tc 이하에서는 조제프슨 플라즈몬이 잘 형성되어 있으나, 허구의 에너지 갭 상태에서는 과다 감쇠된다고 가정하였으며, 이는 관측된 증폭과 일치한다.
• 이론적 예측을 실험 데이터와 비교하여 비선형 모드 혼합 메커니즘의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테라헤르츠 반사도에 의해 제기된 바와 같이, 광학적 구동이 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ에서 일시적이고 단계 비일관 초전도성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 관측된 2.5-THz 전자 모드의 세 배 증폭의 미세 구조 기원은 무엇인가?
• RQ3 증폭된 모드의 대칭성, 운동량 및 온도 의존성이 조제프슨 플라즈몬 기원을 어떻게 지지하는가?
• RQ4 비선형 삼파동 혼합이 허구의 에너지 갭 상태에서 변동하는 초전도 순서의 안정화를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 두 번째 고조파 발생을 통해 광학적 자극 조건에서 2.5-THz 전자 모드가 약 1000배 증폭된 것으로 밝혀졌다.
• 증폭된 모드는 조제프슨 플라즈몬 자극과 일치하는 대칭성 및 운동량 의존성을 보였다.
• 증폭은 온도에 매우 민감하며, Tc 이상에서는 사라지고 허구의 에너지 갭 상태에서는 유지되어 비평형 초전도성 변동임을 시사한다.
• 이론적 모델링은 조제프슨 플라즈몬의 비선형 삼파동 혼합이 관측된 증폭 및 대칭 특성을 설명할 수 있음을 확인하였다.
• 결과적으로, 비선형 모드 혼합이 장거리 단계 일관성이 없더라도 양자 물질에서 변동하는 질서를 안정화시킬 수 있음을 보여주었다.