[论文解读] Terahertz pulse-driven collective mode in the nematic superconducting state of Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$

Romain Grasset, Kota Katsumi+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Iron-based superconductors research参考文献 61被引用 23

一句话总结

本研究利用强太赫兹（THz）脉冲探测铁基超导体Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂中的集体激发模式，揭示了一种由向列序诱导的集体模式，该模式与Higgs振幅模态不同。在向列序与超导共存相中，太赫兹克尔信号从C4对称性转变为纯向列序对称性，表明出现了一种新的超导集体模式——可能为Bardasis-Schrieffer模态——其源于由向列序驱动的s+d波配对混合。

ABSTRACT

We investigate the iron-based superconductor Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ using intense terahertz (THz) light. In the superconducting state a THz Kerr signal is observed and assigned to non-linear THz coupling to superconducting degrees of freedom. The polarization dependence of the THz Kerr signal is remarkably sensitive to the coexistence of a nematic order. In the absence of nematic order the $C_4$ symmetric polarization dependence of the THz Kerr signal is consistent with a coupling to the Higgs amplitude mode of the superconducting condensate. In the coexisting nematic and superconducting state the signal becomes purely nematic with a vanishing $C_4$ symmetric component, signaling the emergence of a new superconducting collective mode activated by nematicity.

研究动机与目标

• 研究向列序对铁基超导体中超导集体模式的影响。
• 确定向列序是否改变超导态下的非线性太赫兹响应。
• 确定在向列序与超导共存相中观测到的新集体模式的本质。
• 通过偏振依赖的太赫兹克尔光谱，区分Higgs模态耦合与其它集体模式。

提出的方法

• 采用强太赫兹泵浦-光学反射率探测（TPOP）测量，使用1.5 eV近红外（NIR）探测脉冲和亚100 fs的太赫兹脉冲。
• 测量瞬态太赫兹克尔效应，其与太赫兹电场强度的平方成正比，以探测非线性光学响应。
• 分析D4h点群中三阶非线性极化率χ(3)的偏振依赖性，以分解C4对称分量与向列序（B1g）分量。
• 对在向列序各向异性下Higgs模态响应进行理论建模，以检验观测到的信号是否可仅由电子结构效应解释。
• 在两颗单晶之间进行实验对比：UD37（无向列序，Tc = 37 K）与UD26（向列序与超导序共存，Tc = 26 K）。
• 利用拉曼光谱和角分辨光电子能谱（ARPES）数据，将太赫兹泵浦能量对应至Γ中心空穴口袋的超导能隙（2Δh ≈ 20 cm⁻¹）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂中，向列序是否诱导出超越Higgs振幅模态的新型超导集体模式？
• RQ2 当向列序与超导共存时，太赫兹克尔信号的偏振依赖性如何变化？
• RQ3 观测到的太赫兹克尔信号中的向列序分量是否可仅由电子结构各向异性解释？
• RQ4 在向列序-超导相中，C4对称分量完全抑制的根源是什么？
• RQ5 所观测到的模式是否与s+d波超导态中Bardasis-Schrieffer模态一致？

主要发现

• 在无向列序时（UD37），太赫兹克尔信号表现出C4对称性，与Higgs振幅模态的非线性耦合一致。
• 在向列序与超导共存相中（UD26），太赫兹克尔信号变为纯向列序，C4对称分量完全消失。
• C4对称分量的完全抑制无法仅由电子结构各向异性解释，表明存在超越Higgs模态的新集体模式。
• 理论建模表明，仅靠向列序分裂能无法解释观测到的向列序通道中信号的主导性。
• 数据强烈表明，一种新型集体模式——可能为Bardasis-Schrieffer模态——在s+d波超导态中与向列序参数发生耦合。
• UD26中信号衰减更强，与C2相中d波成分的混合一致，支持能隙各向异性的增强。