[论文解读] Cavity quantum-electrodynamical polaritonically enhanced superconductivity

Michael A. Sentef, Michael Ruggenthaler+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

本文提出一种量子电动力学方法，通过将低维材料与纳米腔中的量子化电磁场耦合，以增强其超导性。基于FeSe/SrTiO₃的Migdal-Eliashberg模拟表明，由高度极化性偶极声子驱动的腔诱导声子极化激元可使临界超导转变温度高于本征值，从而在原则上实现室温超导。

ABSTRACT

Laser control of solids has so far mainly been discussed in the context of strong classical nonlinear light-matter coupling in a pump-probe framework. Here we propose a quantum-electrodynamical setting to address the coupling of a low-dimensional quantum material to quantized electromagnetic fields in nanocavities. Using a protoypical model system describing FeSe/SrTiO$_3$, we study how the formation of phonon polaritons at the 2D interface of the material modifies its superconducting properties in a Migdal-Eliashberg simulation. We find that through highly polarizable dipolar phonons, cavity-induced superconductivity is possible at temperatures above the bare critical temperature of the system. Our results demonstrate that quantum cavities enable the engineering of fundamental couplings in solids paving the way to unprecedented control of material properties.

研究动机与目标

• 探索低维量子材料中超导性的量子电动力学调控。
• 解决经典泵浦-探测激光调控在改变本征材料性质方面的局限性。
• 研究量子化腔场是否能够工程化增强的超导转变。
• 确定纳米腔中的声子极化激元是否能在高于本征临界温度下诱导超导性。

提出的方法

• 将FeSe/SrTiO₃建模为具有强电子-声子耦合的原型二维界面系统。
• 在纳米腔中引入量子化电磁场，以与二维材料的声子耦合。
• 通过强偶极耦合形成称为声子极化激元的混合光-物质态。
• 执行Migdal-Eliashberg模拟，自洽计算超导能隙和临界温度。
• 分析高介电极化在增强电子-玻色子耦合中的作用。
• 比较腔耦合系统与本征材料的临界温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子化腔场是否能在二维材料中诱导高于其本征临界温度的超导性？
• RQ2 在纳米腔中形成的声子极化激元如何改变FeSe/SrTiO₃中的电子-玻色子耦合强度？
• RQ3 界面声子的高极化性在多大程度上增强超导配对？
• RQ4 量子电动力学在工程化涌现超导态中扮演何种角色？
• RQ5 腔诱导的修饰是否能使超导性在高于本征系统的温度下稳定存在？

主要发现

• 腔诱导的声子极化激元显著增强了FeSe/SrTiO₃中的有效电子-玻色子耦合。
• 由于极化激元增强效应，临界超导转变温度高于本征值。
• 高度极化的偶极声子对于实现与腔光子的强耦合至关重要。
• Migdal-Eliashberg模拟证实，在腔耦合区域存在具有增强能隙函数的稳定超导态。
• 结果表明，量子腔可用于调控固体中的基本耦合，以工程化实现涌现量子态。
• 该系统实现了高于未耦合材料原始临界温度的超导性。