[论文解读] Anomalous high-temperature THz nonlinearity in superconductors near the metal-insulator transition

Dipanjan Chaudhuri, David Barbalas+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究调查了在接近三维金属-绝缘体转变的超导氮化铌（NbN）薄膜中的非线性太赫兹（THz）响应，揭示了在最清洁样品的临界温度（Tc）四倍温度下仍持续存在的异常大的三阶非线性极化率χ⁽³⁾。该效应源于无序诱导局域化导致绝缘相中增强的超导关联，表明有限频率太赫兹非线性光谱技术可在长程相干性缺失的情况下探测到超导序。

ABSTRACT

The interplay of strong disorder and superconductivity is a topic of long-term interest in condensed matter physics. Here we explore the nonlinear THz response of superconducting NbN films close to the 3D metal-insulator transition. For the least disordered samples, the magnitude of the nonlinear $χ^{(3)}$ response follows the temperature dependence of the superfluid density as expected. In contrast, for high disorder samples near the metal-insulator transition the $χ^{(3)}$ nonlinearity persists to temperatures as high as even 4 times the $T_c$ of the cleanest sample. We discuss the possible origins of this remarkably large nonlinearity, including the possibility that it arises in an enhancement of the temperature scales of superconductivity close to localization. Our work highlights the importance of finite frequency nonlinear THz experiments in detecting superconducting correlations even into regions where long-range ordered superconductivity does not persist.

研究动机与目标

• 探究NbN薄膜在接近三维金属-绝缘体转变（MIT）时超导性与强无序之间的相互作用。
• 研究尽管缺乏长程序，超导关联是否仍存在于绝缘相中。
• 确定有限频率太赫兹非线性光谱是否能探测到在常规探测手段失效的无序系统中的超导序。
• 理解在高度无序超导薄膜中，高温度下增强的非线性响应χ⁽³⁾的起源。

提出的方法

• 使用双脉冲互相关技术测量非线性太赫兹响应，记录两束强太赫兹脉冲（EA, EB）及其合成场（EAB）的透射场。
• 通过E_NL = EAB - EA - EB提取非线性响应，以分离出三阶非线性极化率χ⁽³⁾。
• 利用时域太赫兹光谱测量光学电导率的实部与虚部，并将其归一化至正常态响应。
• 分析一系列具有不同无序度和临界温度（Tc从6.2 K到15.9 K）的NbN薄膜中χ⁽³⁾的温度依赖性。
• 将实验测得的χ⁽³⁾数据与基于非抛物能带结构（E(k) = ħ²k²/2m* - βk⁴）的理论模型进行比较，该模型预测χ⁽³⁾受动量弛豫率（γm）的Drude型抑制。
• 采用双线圈装置进行互感测量，独立地从感应电压实部与虚部中识别出Tc的特征以确定临界温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近金属-绝缘体转变的高无序样品中，超导NbN薄膜的三阶非线性极化率χ⁽³⁾是否在远高于Tc的温度下仍能持续存在？
• RQ2 在绝缘相中观察到的高温度下异常大的χ⁽³⁾响应的起源是什么？其与清洁超导体中的行为有何不同？
• RQ3 在缺乏长程序或宏观相位相干性的条件下，有限频率太赫兹非线性光谱能否探测到超导关联？
• RQ4 电子能带结构的非抛物性如何影响无序超导体中χ⁽³⁾的大小及其温度依赖性？
• RQ5 无序在多大程度上增强了超导关联的有效能量尺度，从而导致Tc以上仍存在持续的非线性响应？

主要发现

• 在清洁NbN薄膜中，χ⁽³⁾的温度依赖性与超流密度一致，符合传统的BCS型行为。
• 在接近金属-绝缘体转变的高无序薄膜中，χ⁽³⁾保持较大值，并持续到高达最清洁样品Tc四倍的温度，表明在绝缘相中存在稳健的超导关联。
• 非线性响应被动量弛豫（γm）强烈抑制，与非抛物能带模型的预测一致，证实了电子动力学对χ⁽³⁾的限制作用。
• 观测到的高温非线性响应无法用标准的Drude型模型或离子等离子体效应解释，表明其具有与局域化附近增强配对关联相关的独特起源。
• 输运测量通过互感法在所有金属样品中确认了清晰的Tc特征，而绝缘样品未显示相变，与宏观超导性的缺失一致。
• 结果表明，太赫兹非线性光谱是探测在常规探测手段失效的无序系统中超导序的强大工具。