[論文レビュー] Theory of resonantly enhanced photo-induced superconductivity

Christian Eckhardt, Sambuddha Chattopadhyay+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、光駆動ボソン（例：格子振動や表面プラズモン）と帯間電子遷移が結合する微視的メカニズムを提案する。ボソン周波数が電子バンドギャップと一致するとき、電子間の引力が共鳴的に増幅され、超伝導対形成が著しく強化される。グラファイト/BN/SrTiO3ヘテロ構造において、光駆動によって予測される転移温度は約15 Kである。

ABSTRACT

Optical driving of materials has emerged as a versatile tool to control their properties, with photo-induced superconductivity being among the most fascinating examples. In this work, we show that light or lattice vibrations coupled to an electronic interband transition naturally give rise to electron-electron attraction that may be enhanced when the underlying boson is driven into a non-thermal state. We find this phenomenon to be resonantly amplified when tuning the boson's frequency close to the energy difference between the two electronic bands. This result offers a simple microscopic mechanism for photo-induced superconductivity and provides a recipe for designing new platforms in which light-induced superconductivity can be realized. We propose a concrete setup consisting of a graphene-hBN-SrTiO$_3$ heterostructure, for which we estimate a superconducting $T_{ m c}$ that may be achieved upon driving the system.

研究の動機と目的

• 実験的に実現可能な、光誘発超伝導の単純で微視的なメカニズムを同定すること。
• 駆動ボソン周波数が電子の帯間遷移エネルギーと一致する場合に、電子間引力がどのように共鳴的に増幅されるかを説明すること。
• 光誘発超伝導を実現できる新しいプラットフォームの設計法則を提示すること。
• 現在の実験技術を用いて、このメカニズムが具体的なヘテロ構造系で実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 局所的電子-ボソン相互作用を持つ、ボソンと帯間電子遷移が結合する一般化モデルを構築する。
• 摂動場理論と2サイトモデルにおける正確な対角化を用いて、電子相関およびダブルトン形成を分析する。
• 多体場理論を用いてギャップ方程式を導出し、拡張系における超伝導を研究する。
• 現実的なヘテロ構造に形式を適用する：グラファイト/六方晶窒化硼素/SrTiO3で、表面フォノン-ポラリトンがギャップを持つグラファイトのバンドに結合する。
• 表面ポラリトン周波数をバンドギャップに赤デチューンさせるが、共鳴に近い状態に調整する。
• 導出された対形成メカニズムを用いて、光誘発超伝導の臨界温度（Tc）を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動ボソンは非平衡状態において、電子間引力を共鳴的に増幅する媒質として機能できるか？
• RQ2 光励起系において、超伝導対形成が共鳴的に増幅される条件は何か？
• RQ3 帯間遷移とボソンモードの相互作用が、どのように有効な電子対形成を生じさせるか？
• RQ4 このメカニズムは、現在の実験的技術で利用可能な実材料プラットフォームで実現可能か？
• RQ5 駆動されたグラファイト/BN/SrTiO3ヘテロ構造における超伝導の推定臨界温度は何か？

主な発見

• 駆動ボソン周波数を電子帯間遷移エネルギーに近づけると、電子間引力が著しく増幅され、共鳴的増幅が生じる。
• 共鳴的増幅は平衡状態では存在しないが、ボソンモードのコherent駆動により非平衡状態で強く現れる。
• 2サイトモデルの正確な対角化により、Ω ≈ ∆E のとき時間平均のダブルトン相関が急激に増加することが確認され、対形成が強化されていることが示された。
• 多体場理論を用いて導出したギャップ方程式により、共鳴的増幅が非平衡効果であり、熱的平衡状態には存在しないことが確認された。
• 提案されたグラファイト/BN/SrTiO3ヘテロ構造では、光駆動により超伝導転移温度が約15 Kに達することが予測されている。
• このメカニズムは頑健であり、2次元ファンデルワールスヘテロ構造における光誘発超伝導の工学的実現への明確な道筋を提供する。