[論文レビュー] Time-resolved optical conductivity and Higgs oscillations in two-band dirty superconductors

Rafael Haenel, Paul Froese+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 56被引用数 33

ひとこと要約

本研究は、マッティス＝バーディーン近似を用いて不純物散乱を組み込んだ2パルスクエンチ・プローブ設定を用い、2バンド粗い超伝導体における時間分解光学的伝導度およびヒッグス振動を検討する。不純物による磁気的結合がヒッグスモード励起を顕著に増幅することを示し、実験データと強い一致を示す。特にMgB2においては、下位ギャップでのみ3次高調波生成に明確な共鳴が観測され、非平衡光学における不純物の役割がヒッグス応答の観測可能性を可能にすることを検証する。

ABSTRACT

Recent studies have emphasized the importance of impurity scattering for the optical Higgs response of superconductors. In the dirty limit, an additional paramagnetic coupling of light to the superconducting condensate arises which drastically enhances excitation. So far, most work concentrated on the periodic driving with light, where the third-harmonic generation response of the Higgs mode was shown to be enhanced. In this work, we additionally calculate the time-resolved optical conductivity of single- and two-band superconductors in a two-pulse quench-probe setup, where we find good agreement with existing experimental results. We use the Mattis-Bardeen approach to incorporate impurity scattering and calculate explicitly the time-evolution of the system. Calculations are performed both in a diagrammatic picture derived from an effective action formalism and within a time-dependent density matrix formalism.

研究の動機と目的

• 非平衡状態における超伝導体のヒッグスモード光学応答を強化する不純物散乱の役割を理解すること。
• 2パルスクエンチ・プローブ方式を用いて、単バンドおよび2バンド超伝導体の時間分解光学的伝導度をモデル化すること。
• 粗い超伝導体における3次高調波生成（THG）に寄与するヒッグスモード、レゲットモード、準粒子モードの寄与を明確にすること。
• 理論的予測を既存の実験結果、特にMgB2において検証すること。
• 非平衡ダイナミクスを記述する2つの理論的枠組み—図式的有効作用と時間に依存する密度行列形式—を比較すること。

提案手法

• マッティス＝バーディーン近似を用いて不純物散乱が光学的伝導度に与える影響をモデル化し、ローレンツ型に広がった頂点を介して有限の動量移動を組み込む。
• 2パルスクエンチ・プローブ設定を用いる：短いポンプパルスが非平衡状態を誘発し、時間遅れのプローブパルスが系の時間発展する光学的応答を測定する。
• マッティス＝バーディーンフレームワークから導かれる有効有限動量相互作用頂点を用いた有効作用形式に基づく図式的アプローチを適用する。
• 超伝導秩序パラメータの非平衡ダイナミクスと光への結合をシミュレートするため、時間に依存する密度行列アプローチを構築する。
• ヒッグス、レゲット、準粒子モードからの寄与を分解することで、3次高調波生成（THG）応答を計算する。
• 両形式の結果を比較し、一貫性を確認するとともに、粗い系におけるヒッグス励起の背後にある物理的プロセスをより深く理解する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不純物散乱は、クリーン限界を越えてどのように超伝導体における光学的ヒッグス応答を強化するか？
• RQ2 2パルスクエンチ・プローブ励起下での単バンドおよび2バンド超伝導体における時間分解光学的伝導度応答はいかなるものか？
• RQ3 粗い2バンド超伝導体において、3次高調波生成に寄与する主な集団モードは、ヒッグスモード、レゲットモード、それとも準粒子か？
• RQ4 なぜMgB2における3次高調波応答は下位ギャップでのみ共鳴するのか、不純物はこの現象にどのように寄与するか？
• RQ5 図式的アプローチと密度行列形式は、粗い超伝導体における非平衡ダイナミクスのモデル化において、どの程度同等の結果をもたらすか？

主な発見

• 不純物散乱は、超伝導凝縮相への支配的磁気的結合を誘発し、粗い限界におけるヒッグスモードの光学的応答を顕著に増幅する。
• 2パルスクエンチ・プローブ設定を用いて計算された時間分解光学的伝導度は、超伝導ヒッグス振動に関する既存の実験データと良好な一致を示す。
• MgB2のような2バンド超伝導体において、3次高調波生成応答は下位ギャップでのみ共鳴を示し、粗い限界における実験観測と一致する。
• ヒッグスモードは3次高調波信号に顕著な寄与を示すが、レゲットモードおよび準粒子寄与は、特に下位ギャップチャネルでは二次的である。
• 有効作用形式に基づく図式的アプローチは、時間に依存する密度行列形式と同等の結果をもたらし、両手法が非平衡ダイナミクスを研究する上で有効であることを検証する。
• 本研究は、非線形光学実験で強いヒッグスモード信号を観測可能にするために不純物が不可欠であることを確認し、クリーン系では信号が弱いという従来の理論的懸念を解消する。