[论文解读] Nonlinear electrodynamics of a superconductor due to the redistribution of quasiparticles

Pieter de Visser, D. J. Goldie+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 2

一句话总结

本研究调查了铝微波谐振器在200 mK以下和以上时的非线性电动力学行为，表明微波功率会引起非热准粒子分布，从而改变谐振器的品质因数和共振频率。在200 mK以下，功率增加导致品质因数和共振频率降低，这是由于过剩准粒子的产生；在200 mK以上，两者均因非平衡准粒子重分布而增加，表现出一种反直觉的非线性响应，需借助非热模型进行解释。

ABSTRACT

In a superconductor absorption of photons with an energy below the superconducting gap leads to redistribution of quasiparticles over energy and thus induces a strong non-equilibrium quasiparticle energy distribution. We have measured the electrodynamic response, quality factor and resonant frequency, of a superconducting aluminium microwave resonator as a function of microwave power and temperature. Below 200 mK, both the quality factor and resonant frequency decrease with increasing microwave power, consistent with the creation of excess quasiparticles due to microwave absorption. Counterintuitively, above 200 mK, the quality factor and resonant frequency increase with increasing power. We demonstrate that the effect can only be understood by a non-thermal quasiparticle distribution.

研究动机与目标

• 理解在不同微波功率和温度条件下，超导铝谐振器的非线性微波响应。
• 研究非平衡准粒子分布对谐振器特性（如品质因数和共振频率）的影响。
• 解释在200 mK以上温度下，随着功率增加，品质因数和共振频率反而上升这一反直觉现象。

提出的方法

• 测量超导铝微波谐振器的品质因数和共振频率随微波功率和温度的变化关系。
• 使用光子能量低于超导能隙的微波激发，以诱导准粒子重分布，而不破坏库珀对。
• 将实验数据与平衡态和非热准粒子分布模型进行比较，以识别主导机制。
• 分析电磁响应，识别偏离热平衡行为的特征。
• 从200 mK以下到以上进行温度依赖性表征，以捕捉行为的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，微波功率如何影响超导铝谐振器的品质因数和共振频率？
• RQ2 为何在200 mK以上，随着微波功率增加，品质因数和共振频率反而上升，与预期相反？
• RQ3 非热准粒子能量分布在此观测到的非线性电动力学中起何种作用？
• RQ4 该观测行为能否由平衡态准粒子模型解释，还是必须依赖非热分布？
• RQ5 谐振器响应发生转变的临界温度阈值是多少？

主要发现

• 在200 mK以下，随着微波功率增加，品质因数和共振频率均降低，这是由于光子吸收导致过剩准粒子的产生。
• 在200 mK以上，随着微波功率增加，品质因数和共振频率均上升，表明存在非线性响应，且无法由平衡态模型解释。
• 观测到的行为与热准粒子分布不一致，必须借助非热准粒子能量分布才能解释。
• 在200 mK处的行为转变标志着一个临界点，此时准粒子动力学的本质因热能尺度与超导能隙的相对关系而发生改变。
• 结果表明，即使在低于能隙的光子能量下，微波诱导的准粒子重分布也主导了非线性电动力学行为。