[论文解读] Theory for Anomalous Terahertz Emission in Striped Cuprate Superconductors

Pavel E. Dolgirev, Marios H. Michael+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 56被引用 1

一句话总结

本文提出，在如La2−xBa xCuO4等条纹状铜氧化物超导体中观察到的异常太赫兹辐射源自由破坏反演对称性的条纹相中二阶光学非线性驱动的Umklapp光电流。这些电流在约0.5 THz的约瑟夫森等离子体共振频率（ωJPR）下共振激发表面约瑟夫森等离子体，从而产生尖锐的、实验观测到的太赫兹辐射。该机制唯一要求同时具备超导序与条纹序，解释了在名义上具有中心对称性的材料中异常辐射的起源。

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.

研究动机与目标

• 解释在La2−xBa xCuO4等掺杂铜氧化物经光激发后观测到的异常太赫兹辐射的起源。
• 解决在无外部偏置的名义上具有中心对称性的超导体中产生太赫兹辐射的悖论。
• 阐明条纹序在使原本禁戒辐射的表面约瑟夫森等离子体实现光学活性中的作用。
• 证明Umklapp光电流——由破坏反演对称性与CDW周期性驱动——对于实现共振太赫兹辐射至关重要。

提出的方法

• 使用三阶导电率张量建模条纹超导体的非线性电动力学，以描述二阶光电流生成。
• 同时包含零动量（J₀）和Umklapp（Jᵤ）光电流分量，其中Jᵤ以CDW波矢QCDW调制。
• 利用包含体态与表面模式的介电响应函数求解表面约瑟夫森等离子体（JPs）的激发。
• 计算发射谱函数f(ω)，并与实验太赫兹发射进行比较，区分体态与表面等离子体的贡献。
• 采用各向同性超导体模型以分离表面与体态共振，确认仅当Jᵤ驱动时表面JPs才会产生尖锐发射峰。
• 分析反射率谱，表明远场测量对表面模式不敏感，解释为何体态等离子体分裂在实验中仅微弱可见。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在条纹状铜氧化物中，尽管无净电流或磁场，光激发仍会在约瑟夫森等离子体共振频率处产生尖锐的太赫兹发射？
• RQ2 条纹序的存在如何使原本因对称性禁戒而无法辐射的表面约瑟夫森等离子体实现太赫兹波辐射？
• RQ3 Umklapp光电流在驱动共振发射中起何作用？为何它们对观测到的尖锐谱峰至关重要？
• RQ4 为何发射谱在ωJPR ≈ 0.5 THz处呈尖锐峰值，而泵浦频率远高于此（Ωpm ≈ 375 THz）？
• RQ5 观测到的发射是否可由体态等离子体激发解释，还是必须依赖表面模式耦合？

主要发现

• 在ωJPR ≈ 0.5 THz处的尖锐太赫兹发射峰源自Umklapp光电流对表面约瑟夫森等离子体的共振激发，而非体态模式。
• 携带动量q = QCDW的Umklapp光电流对于驱动表面等离子体并产生观测到的尖锐发射至关重要，而零动量光电流仅产生展宽发射。
• 在各向同性超导体中，表面等离子体共振与体态共振明显分离，证实实验中观测到的尖锐峰源于表面模式。
• 当Jᵤ ≠ 0时，发射谱函数f(ω)仅在表面共振处显示明显尖峰，证实Umklapp电流在共振激发中的关键作用。
• 反射率测量（R(ω)）对表面模式不敏感，仅检测到微弱的体态等离子体分裂，解释了为何表面效应此前在实验中未被探测到。
• 即使在中等条纹振幅（A ≈ 0.1ε∞,c）下，有限动量模式的耦合仍显著增强太赫兹发射，尽管其在反射率中不可见。