[论文解读] Infrared activation of Higgs mode by supercurrent injection in a superconductor NbN

Sachiko Nakamura, Yudai Iida+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文展示了向氮化铌（NbN）薄膜注入直流超电流可使希格斯模式变为红外活性，从而实现其在线性光学电导率测量中的直接观测。在 ω = 2Δ 处出现的尖锐共振峰证实了希格斯模式的激发，验证了近期的理论预测，并建立了一种探测超导体中希格斯模式的新方法。

ABSTRACT

Higgs mode in superconductors, i.e. the collective amplitude mode of the order parameter does not associate with charge nor spin fluctuations, therefore it does not couple to the electromagnetic field in the linear response regime. On the contrary to this common understanding, here, we demonstrate that, if the dc supercurrent is introduced into the superconductor, the Higgs mode becomes infrared active and is directly observed in the linear optical conductivity measurement. We observed a sharp resonant peak at $\omega=2\Delta$ in the optical conductivity spectrum of a thin-film NbN in the presence of dc supercurrent, showing a reasonable agreement with the recent theoretical prediction. The method as proven by this work opens a new pathway to study the Higgs mode in a wide variety of superconductors.

研究动机与目标

• 研究在非平衡条件下，超导体中的希格斯模式是否可通过光学测量实现可探测性。
• 克服长期以来希格斯模式在线性响应区域不与电磁场耦合的难题。
• 通过实验验证近期理论预测，即超电流注入可使希格斯模式产生红外活性。
• 建立一种新的实验平台，用于探测多种超导材料中的希格斯模式。

提出的方法

• 向薄膜 NbN 超导体施加直流超电流，以破坏时间反演对称性并诱导其与电磁场的耦合。
• 在存在直流超电流的条件下测量线性光学电导率，以探测红外活性模式。
• 采用薄膜 NbN 平台，实现高质量、定义明确的超导条件，适用于光学光谱测量。
• 将观测到的光学光谱与 ω = 2Δ 处希格斯模式激发的理论预测进行比较。
• 采用标准光学光谱技术，以分辨电导率谱中的尖锐共振特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过施加直流超电流，能否使超导体中的希格斯模式变为红外活性？
• RQ2 在 ω = 2Δ 处观测到的光学响应是否对应于超电流注入下希格斯模式的激发？
• RQ3 实验观测是否与近期关于超电流诱导希格斯模式耦合的理论预测一致？
• RQ4 该方法是否可推广至其他超导材料，以研究希格斯模式？

主要发现

• 当直流超电流注入 NbN 薄膜时，光学电导率谱中在 ω = 2Δ 处出现一个尖锐的共振峰。
• 观测到的峰被确认为希格斯模式，其因超电流破坏时间反演对称性而变为红外活性。
• 峰位置 ω = 2Δ 与超导体中希格斯模式能量的理论预测基本一致。
• 结果证实，超电流注入可实现对超导体中希格斯模式的直接光学探测。