[论文解读] Light-induced inhomogeneous superconductivity far above Tc in YBa2Cu3O6+x

S. Kaiser, D. Nicoletti+9 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

该论文表明，与顶点氧振动共振的中红外光脉冲可诱导 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 中出现一种瞬态、非均匀的超导态，实现相干的层间输运，并在 Tc 以上产生反射率边缘——最高可达室温——表明光致超导关联在正常态中可维持皮秒量级，揭示了非平衡态下的非常规超导性。

ABSTRACT

We report on a photo-induced transient state of YBa2Cu2O6+x in which transport perpendicular to the Cu-O planes becomes highly coherent. This effect is achieved by excitation with mid-infrared optical pulses, tuned to the resonant frequency of apical oxygen vibrations, which modulate both lattice and electronic properties. Below the superconducting transition temperature Tc, the equilibrium signatures of superconducting interlayer coupling are enhanced. Most strikingly, the optical excitation induces a new reflectivity edge at higher frequency than the equilibrium Josephson plasma resonance, with a concomitant enhancement of the low frequency imaginary conductivity. Above Tc, the incoherent equilibrium conductivity becomes highly coherent, with the appearance of a reflectivity edge and a positive imaginary conductivity that increases with decreasing frequency. These features are observed up to room temperature in YBa2Cu2O6.45 and YBa2Cu2O6.5. The data above Tc can be fitted by hypothesizing that the light re-establishes a transient superconducting state over only a fraction of the solid, with a lifetime of a few picoseconds. Non-superconducting transport could also explain these observations, although one would have to assume transient carrier mobilities near 10^4 cm^2/(V.sec) at 100 K, with a density of charge carriers similar to the below Tc superfluid density. Our results are indicative of highly unconventional non-equilibrium physics and open new prospects for optical control of complex solids.

研究动机与目标

• 研究铜氧化物中在超导转变温度 Tc 以上的非平衡光学调控超导关联。
• 确定中红外激发是否能在 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 中 Tc 以上诱导出相干的层间输运。
• 探讨顶点氧晶格振动在介导瞬态电子相干性中的作用。
• 区分光致超导序与非超导瞬态载流子迁移率作为解释观测到的光学响应的可能机制。

提出的方法

• 使用与顶点氧振动共振频率匹配的中红外光脉冲照射 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 单晶。
• 利用超快光学光谱测量时间分辨反射率和电导率，以探测瞬态电子和晶格响应。
• 分析频率依赖的复电导率，重点关注反射率边缘的出现以及低频虚部电导率的增强。
• 将 Tc 以上的光学数据与一个假设具有有限相干长度和皮秒量级寿命的瞬态超导态模型进行拟合。
• 将观测到的响应与平衡态下的约瑟夫森等离子体共振及超导态中的超流密度进行比较。
• 评估涉及瞬态高迁移率载流子（其密度与超流密度相当）的替代解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过中红外光激发在 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 中 Tc 以上诱导出相干的层间输运？
• RQ2 顶点氧晶格振动在介导瞬态超导关联中起什么作用？
• RQ3 Tc 以上观测到的反射率边缘是由瞬态超导态引起，还是由非超导载流子动力学引起？
• RQ4 光激发后，瞬态超导关联能持续多长时间？
• RQ5 Tc 以上的光学响应能否通过非均匀、光致超导的模型进行定量解释？

主要发现

• 在光激发后，即使在 Tc 以上，反射率边缘的频率也高于平衡态约瑟夫森等离子体共振频率。
• 在 Tc 以上，低频虚部电导率随频率降低而增加，表明瞬态状态下相干性增强。
• 瞬态光学响应持续数皮秒，与短寿命的类超导态一致。
• 该效应在 YBa₂Cu₃O₆.₄₅ 和 YBa₂Cu₃O₆.₅ 中可延伸至室温，表明其在 Tc 以上的鲁棒性。
• Tc 以上的数据可通过假设存在相干长度覆盖材料部分区域的瞬态超导态进行拟合，而无法通过标准的非超导载流子输运机制解释。
• 若采用非超导解释，则需瞬态载流子迁移率在 100 K 时接近 10⁴ cm²/(V·s)，与超导模型相比极不现实。