[论文解读] Giant resonant enhancement for photo-induced superconductivity in K$_3$C$_{60}$

E. Rowe, Bo Yuan+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 4

一句话总结

本研究在约10 THz激发下，展示了K₃C₆₀中光致超导性的巨大共振增强，实现了在室温下、超低辐照能量（约400 μJ/cm²）条件下的亚稳态超导样态。10 THz处的共振使光电 susceptibility 达到最大，揭示了主导非平衡超导态的能量尺度，并指向一种相干、共振机制，可诱导高温超导性。

ABSTRACT

Photo-excitation at terahertz and mid-infrared frequencies has emerged as a new way to manipulate functionalities in quantum materials, in some cases creating non-equilibrium phases that have no equilibrium analogue. In K$_3$C$_{60}$, a metastable zero-resistance phase was documented with optical properties and pressure dependences compatible with non-equilibrium high temperature superconductivity. Here, we report the discovery of a dominant energy scale for this phenomenon, along with the demonstration of a giant increase in photo-susceptibility near 10 THz excitation frequency. At these drive frequencies a metastable superconducting-like phase is observed up to room temperature for fluences as low as ~400 $μJ/cm^2$. These findings shed light on the microscopic mechanism underlying photo-induced superconductivity. They also trace a path towards steady state operation, currently limited by the availability of a suitable high-repetition rate optical source at these frequencies.

研究动机与目标

• 确定控制K₃C₆₀中光致超导性的主导能量尺度。
• 研究在太赫兹和中红外激发下，K₃C₆₀中光电 susceptibility 的频率依赖性。
• 确定在高温下稳定亚稳态超导样态的条件。
• 探索利用高重复率光源实现非平衡超导态稳态运行的潜力。

提出的方法

• 采用时间分辨太赫兹和中红外泵浦-探测光谱法，对K₃C₆₀薄膜进行激发和探测。
• 系统性地改变激发频率，覆盖1–20 THz范围，以绘制光电 susceptibility 响应图谱。
• 测量瞬态电导率和电阻，以识别零电阻样态的出现。
• 采用低辐照能量激发（约400 μJ/cm²），以最小化热效应，并探测相干的非平衡动力学。
• 分析光致相在压力和温度依赖性，以确认其具有超导样行为。
• 将实验结果与集体模态共振耦合的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在K₃C₆₀中，何种激发频率可产生最强的光电 susceptibility 及最大的非平衡超导态增强？
• RQ2 能否通过光学激发在室温下稳定亚稳态超导样态？
• RQ3 是否存在一个主导能量尺度，控制K₃C₆₀中光致超导转变？
• RQ4 诱导超导样态的辐照能量阈值如何随激发频率变化？
• RQ5 与晶格或电子模态的共振耦合在实现高温光致超导性中起何种作用？

主要发现

• 在K₃C₆₀中，约10 THz激发频率处观察到光电 susceptibility 的巨大共振增强。
• 在10 THz激发下，即使辐照能量低至约400 μJ/cm²，亚稳态超导样态也可在室温下稳定存在。
• 10 THz频率对应于控制非平衡超导态的主导能量尺度。
• 光致相表现出零电阻样行为及压力依赖性，与超导性一致。
• 10 THz处的共振被确定为最大化非平衡超导态产率的关键控制参数。
• 结果表明，集体模态的相干、共振激发对于实现高温光致超导性至关重要。