[论文解读] Parametrically amplified phase-incoherent superconductivity in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$

Alexander von Hoegen, M. Fechner+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 47被引用 5

一句话总结

本研究在强光激发下，展示了YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中2.5-THz电子模式的参数放大，通过时间-角度分辨二次谐波产生揭示了瞬态相位非相干超导性。参数三波混合约瑟夫森等离子体的理论解释了千倍量级的放大效应，并为赝能隙相中非平衡超导性的微观机制提供了依据。

ABSTRACT

The possibility of enhancing desirable functional properties of complex materials by optical driving is motivating a series of studies of their nonlinear terahertz response. In high-Tc cuprates, large amplitude excitation of certain infrared-active lattice vibrations has been shown to induce transient features in the reflectivity suggestive of non-equilibrium superconductivity. Yet, a microscopic mechanism for these observations is still lacking. Here, we report measurements of time- and scattering-angle-dependent second-harmonic generation in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$, taken under the same excitation conditions that result in superconductor-like terahertz reflectivity. We discover a three-order-of-magnitude amplification of a 2.5-terahertz electronic mode, which is unique because of its symmetry, momentum, and temperature dependence. A theory for parametric three-wave amplification of Josephson plasmons, which are assumed to be well-formed below T$_c$ but overdamped throughout the pseudogap phase, explains all these observations and provides a mechanism for non-equilibrium superconductivity. More broadly, our work underscores the role of parametric mode mixing to stabilize fluctuating orders in quantum materials.

研究动机与目标

• 确定高强度太赫兹激发下高温超导体中观察到的瞬态超导性的微观起源。
• 确定通过光驱动是否能够放大并稳定相位非相干的超导涨落。
• 建立非线性光学响应与强关联材料中涌现量子序之间的联系。
• 为非平衡超导态中集体模式的参数放大建立理论框架。

提出的方法

• 在强太赫兹激发下，对YBa₂Cu₃O₆₊ₓ进行了时间-散射角分辨二次谐波产生（SHG）测量。
• 实验探测了2.5-THz电子模式的对称性、动量依赖性和温度依赖性。
• 提出了涉及约瑟夫森等离子体的参数三波放大理论模型，以解释观测到的SHG增强。
• 该模型假设约瑟夫森等离子体在Tc以下形成良好，但在赝能隙相中严重阻尼，与观测到的放大效应一致。
• 将理论预测与实验数据进行比较，以验证参数模式混合的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 光驱动是否如太赫兹反射率所暗示的那样，能在YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中诱导瞬态相位非相干超导性？
• RQ2 观测到的2.5-THz电子模式放大千倍的微观起源是什么？
• RQ3 放大模式的对称性、动量依赖性和温度依赖性如何支持其起源于约瑟夫森等离子体？
• RQ4 参数三波混合能否解释赝能隙相中涨落超导序的稳定化？

主要发现

• 通过二次谐波产生揭示，在光激发下2.5-THz电子模式的放大倍数约为1000倍。
• 放大模式表现出与约瑟夫森等离子体激发一致的对称性和动量依赖性。
• 放大效应具有强烈的温度依赖性，在Tc以上消失，但在赝能隙相中持续存在，表明存在非平衡超导涨落。
• 理论建模证实，约瑟夫森等离子体的参数三波混合可解释观测到的放大效应和对称性特征。
• 结果表明，即使在缺乏长程相位相干性的情况下，参数模式混合也能稳定量子材料中的涨落序。