[論文レビュー] Signatures of Bardasis-Schrieffer mode excitation in Third-Harmonic generated currents

Marvin A. Müller, Ilya Eremin|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 54被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、非対称超伝導体におけるBardasis-Schrieffer（BS）モード励起が、三次高調波生成（THG）電流において強く、実験的に検出可能な信号を生じることを理論的に示している。Higgsモードとは異なり、BSモードは印加電場に対して垂直な電流を生成し、偏光依存性が顕著であるため、クリーン限界においても電荷密度揺らぎとは明確に分離可能である。

ABSTRACT

We theoretically analyze the collective modes in unconventional superconductors focusing on Bardasis-Schrieffer (BS) mode and its contribution to the third harmonic generation currents. Starting from a model with competing superconducting pairing instabilities we add fluctuations of the fields beyond saddle point approximation and calculate their response to an applied pulsed electric field. To model phase fluctuations appropriately we take into account the effect of the long-range Coulomb interaction. While the phase mode is pushed into a plasmon frequency, as known from the literature, we show that the BS mode remains unaffected. Furthermore, it has a characteristic polarization dependence and, unlike the Higgs mode, generates a current in perpendicular direction to the applied field. We find that the Bardasis-Schrieffer excitations contribute a sizable signal to the third harmonic generated current, which is clearly distinguishable from the charge density fluctuations due to Cooper pair breaking effects and can be straightforwardly detected in experiment.

研究の動機と目的

• 非対称超伝導体における第三高調波生成（THG）電流におけるBardasis-Schrieffer（BS）モード励起の役割を調査すること。
• BSモードの寄与が非線形光学応答においてHiggsモードおよび電荷密度揺らぎとどのように異なるかを明確化すること。
• BSモードの電流応答の偏光依存性を分析し、実験的検出可能性を評価すること。
• 長距離クーロン相互作用がBSモードおよびベクトルポテンシャルへの結合に与える影響を検討すること。
• BSモード信号がクリーン限界およびダーティ限界の両方で頑健で、明確に区別可能であることを確立すること。

提案手法

• 競合するs波およびd波ペアリングチャネルを有する2次元超伝導系の有効作用を定式化した。
• Hubbard-Stratonovich変換を用いて、フラクチュエーティング場として∆s（s波）、θ（位相）、∆′d、∆′′d（実部および虚部のd波成分）、ρ（密度揺らぎ）、およびベクトルポテンシャルAを導入した。
• すべてのフラクチュエーティング場の線形および二次応答関数（χ）を計算し、電流-電流カーネルKijを介してベクトルポテンシャルAへの結合を含めた。
• 密度場ρを統合することで長距離クーロン相互作用を扱い、位相モードがプラズモンに再正規化されるが、BSモードの応答および結合には影響しないことを示した。
• すべてのフラクチュエーティング場からの寄与を合算して全電流カーネルKijを導出し、K∆′′d,ijを含むBSモードのベクトルポテンシャルへの結合を記述した。
• 対称性解析により、d波形因子のπ/2回転における符号変化によりK∆′′d,xx ≠ K∆′′d,xyであることが示され、横方向の電流生成が生じることを明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bardasis-Schriefferモードは、非対称超伝導体における第三高調波生成（THG）電流において測定可能な信号を生じるか？
• RQ2 BSモードの電流応答の偏光依存性は、Higgsモードおよび電荷密度揺らぎとはどのように異なるか？
• RQ3 長距離クーロン相互作用は、BSモードの電磁場への結合に影響を及ぼすか？もしそうなら、その影響の性質は？
• RQ4 クリーン限界において、BSモード信号の強度は電荷密度揺らぎおよびHiggsモードと比べてどの程度か？
• RQ5 THG分光法において、BSモードは他の集団モードと実験的に区別可能か？

主な発見

• Bardasis-Schriefferモードは、クリーン限界においても電荷密度揺らぎと同等の大きさの第三高調波電流を生成する。
• Higgsモードとは異なり、BSモードは∆′′dを介したベクトルポテンシャルへの結合により、印加電場に対して垂直な電流成分を生成する。
• BSモード信号は特徴的な偏光依存性を示す：d波形因子の対称性によりK∆′′d,xx = −K∆′′d,xyであり、方向性の区別が可能である。
• 長距離クーロン相互作用は位相（Anderson）モードをプラズモンに再正規化するが、BSモードの応答および結合には影響しない。
• BSモードはTHGにおいて2Ω = ωBSにおける明確に分離可能な第二の共鳴ピークを寄与する。これはHiggsモードの共鳴（2Ω = 2∆）とは明確に区別できる。
• BSモードのベクトルポテンシャルへの結合は強く、フェルミ表面平均による抑制を受けない。これは、その頂点に線形なξk依存性がないため、Higgsモードとは異なり、強い結合が保たれる。