[论文解读] Cooper Pair Breakup in YBCO under Strong Terahertz Fields

Andreas Glossner, Caihong Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Terahertz technology and applications被引用 12

一句话总结

本研究证明，强烈的太赫兹场（约30 kV/cm）可在YBa₂Cu₃O₇₋δ（YBCO）中引发大量库珀对的破裂，尽管光子能量（1.5 meV）远低于超导能隙（20–30 meV），但超导谱重和动能电感仍显著降低。该效应源于有效耦合函数的场致改性，而非热效应或直接光子激发，揭示了一种通过强场太赫兹激发实现高温超导性超快调控的新机制。

ABSTRACT

We show that strong electric fields of ~ 30 kV cm^(-1) at terahertz frequencies can significantly weaken the superconducting characteristics of cuprate superconductors. High-power terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) was used to investigate the in-plane conductivity of YBa2Cu3O7-delta (YBCO) with highly intense single-cycle terahertz pulses. Even though the terahertz photon energy (~ 1.5 meV) was significantly smaller than the energy gap in YBCO (~ 20-30 meV), the optical conductivity was highly sensitive to the field strength of the applied terahertz transients. Possibly, this is due to an ultrafast, field-induced modification of the superconductor's effective coupling function, leading to a massive Cooper pair breakup. The effect was evident for several YBCO thin films on MgO and LSAT substrates.

研究动机与目标

• 研究高温铜氧化物超导体在超越传统光谱学极限的强太赫兹电场下的响应。
• 在YBCO薄膜中将场致效应与热效应和光子激发过程分离。
• 确定尽管光子能量低于能隙，强烈的太赫兹脉冲是否可诱导库珀对破裂。
• 探测在高场激发下超导体有效耦合函数的超快变化。
• 通过测量场依赖的光学电导率和谱重，量化超导序的抑制程度。

提出的方法

• 采用高功率太赫兹时域光谱术（THz-TDS）测量在峰值电场达约30 kV/cm的单周期太赫兹脉冲作用下YBCO薄膜的面内电导率。
• 脉冲通过在LiNbO₃晶体中利用倾斜脉冲前沿法进行光学整流产生，实现亚皮秒、宽带（0.2–1 THz）的瞬态脉冲。
• 电光采样实现了对透射太赫兹脉冲的时间分辨检测，即使在低温下也具有高信噪比。
• 从时域波形中提取复电导率，并采用两流体模型拟合，以分离超导态（fs）与正常态（fn）的谱重贡献。
• 两流体模型应用于电导率 σ = σ₁ + iσ₂ = (ne²/m*)[(fn/(τ⁻¹ - iω)) - (fs/(iω))]，其中 fs + fn = 1。
• 测量在45 nm和120 nm YBCO薄膜上进行，基底为LSAT和MgO，温度低于和高于 Tc = 88 K。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光子能量显著低于超导能隙的条件下，强太赫兹场是否可在YBCO中诱导库珀对破裂？
• RQ2 所观察到的超导性抑制是由热效应、光子激发，还是有效耦合函数的场致改性引起？
• RQ3 在高场太赫兹激发下，电导率的实部和虚部如何变化？
• RQ4 YBCO的动能电感在强太赫兹场下变化程度如何，这对超流密度意味着什么？
• RQ5 场依赖的谱重（fs）能否与库珀对破裂程度定量关联？

主要发现

• 在34 K时，随着太赫兹场强增加，超导谱重 fs 显著下降，表明库珀对密度强烈降低。
• 在高场下，电导率的虚部（σ₂）减小，实部（σ₁）增大，表明超流响应减弱且正常态行为增强。
• 在低频下，透射显著增强，表明由于库珀对破裂，动能电感强烈降低。
• 该效应在LSAT和MgO基底上的多个YBCO薄膜中均被观测到，证实其稳健性和可重复性。
• 尽管脉冲能量较低且光子能量低于能隙（1.5 meV），场致变化仍发生，排除了热效应或直接光激发机制。
• 数据表明，有效耦合函数的场致改性导致超快、可逆的库珀对破裂，且无热效应。