[论文解读] Exploring Superconductivity under Strong Coupling with the Vacuum Electromagnetic Field

Anoop Thomas, Eloı̈se Devaux+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2019

Strong Light-Matter Interactions被引用 46

一句话总结

补充信息呈现一个扩展的实验和理论框架，显示在声子强耦合表面等离子体极化子和真空光子时，超导体中的电子-声子耦合的协同增强；数据涉及YBCO和PS/Au界面，以及一个详细的极化子模型。

ABSTRACT

Light-matter interactions have generated considerable interest as a means to manipulate material properties. Light-induced superconductivity has been demonstrated using pulsed lasers. An attractive alternative possibility is to exploit strong light-matter interactions arising by coupling phonons to the vacuum electromagnetic field of a cavity mode as has been suggested and theoretically studied. Here we explore this possibility for two very different superconductors, namely YBCO (YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$) and Rb$_3$C$_{60}$, coupled to surface plasmon polaritons, using a novel cooperative effect based on the presence of a strongly coupled vibrational environment allowing efficient dressing of the otherwise weakly coupled phonon bands of these compounds. By placing the superconductor-surface plasmon system in a SQUID magnetometer, we find that the superconducting transition temperatures ($T_{c}$) for both compounds are modified in the absence of any external laser field. For YBCO, $T_{c}$ decreases from 92 K to 86 K while for Rb$_3$C$_{60}$, it increases from 30 K to 45 K at normal pressures. In the latter case, a simple theoretical framework is provided to understand these results based on an enhancement of the electron-phonon coupling. This proof-of-principle study opens a new tool box to not only modify superconducting materials but also to understand the mechanistic details of different superconductors.

研究动机与目标

• 动机并探讨真空电磁场和表面等离子体极化子的强耦合是否会改变薄膜中的超导性质。
• 提供随温度变化的磁化率数据和傅立叶变换红外（FT-IR）数据，以识别在强耦合下Tc的变化。
• 建立一个理论极化子-声子框架，用以量化耦合系统中电子-声子耦合的重整化。
• 提供从ATR测量中提取耦合强度的方法，并将其与超导行为联系起来。

提出的方法

• 构建一个极化子哈密顿量，结合物质（超导体中的声子与聚合物）与金属-介质界面的光子模。
• 对混合声子部分进行对角化，以获得分裂的声子模及其混合度。
• 在明/暗混合模和光子修饰的存在下推导电子-声子耦合参数lambda。
• 通过Dyson方程形式化，计算明/暗模的自能及声子能量的重整化。
• 拟合ATR色散数据以提取聚合物振动模的离子等离子频率，并推断耦合强度。
• 给出lambda相对于lambda0的增强Delta lambda的解析表达，并讨论大q行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 振动模与表面等离子体极化子和真空光子的强耦合能否增强超导体中的电子-声子耦合？
• RQ2 超导体声子、PS声子与光子模之间的协同作用如何影响薄膜中的Tc或超导起始温度？
• RQ3 在磁化和ATR光谱中有哪些可观测的标志，能体现极化子混合与lambda重整化？
• RQ4 给定填充分数和失谐条件下，定量模型是否能预测lambda增强的幅度？

主要发现

• YBCO与嵌入聚合物的薄膜表现出修改后的磁性特征，提示在强光-物质耦合下超导行为发生改变（在对照样品中Tc约为92 K，在强耦合情况下降至约86 K）。
• 在Ag和Pt上强耦合的YBCO相比裸膜或失谐参考，其超导起始温度发生偏移（Tc ~86 K）。
• 偏振YBCO与PVAc的失谐情况未显示强耦合效应，表明观测到的变化取决于共振光-物质相互作用。
• 理论模型预测由于SC声子被SPPs和PS振动模包裹而导致电子-声子耦合的协同增强，可通过带有显式表达式的重整化lambda（Delta lambda/ lambda0）来量化。
• 混合声子模和极化子在共振附近达到最大混合，并显示反交叉，极化子间的空白由反转驻波项导致一个极化子间隙。
• 基于ATR拟合得出的PS模的离子等离子频率支持所提出的耦合机制（讨论了nu1、nu2值）。