[论文解读] Time-resolved optical conductivity and Higgs oscillations in two-band dirty superconductors

Rafael Haenel, Paul Froese+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 56被引用 33

一句话总结

本研究通过双脉冲淬火-探测设置，结合马蒂斯-巴丁近似中的杂质散射，研究了双带无序超导体中的时间分辨光学电导率和希格斯振荡。结果表明，无序引起的反磁耦合显著增强了希格斯模态的激发，与实验数据高度一致，并且仅在MgB2的低能隙中观察到三倍频生成的清晰共振，验证了无序在非平衡光学中实现可观测希格斯响应的关键作用。

ABSTRACT

Recent studies have emphasized the importance of impurity scattering for the optical Higgs response of superconductors. In the dirty limit, an additional paramagnetic coupling of light to the superconducting condensate arises which drastically enhances excitation. So far, most work concentrated on the periodic driving with light, where the third-harmonic generation response of the Higgs mode was shown to be enhanced. In this work, we additionally calculate the time-resolved optical conductivity of single- and two-band superconductors in a two-pulse quench-probe setup, where we find good agreement with existing experimental results. We use the Mattis-Bardeen approach to incorporate impurity scattering and calculate explicitly the time-evolution of the system. Calculations are performed both in a diagrammatic picture derived from an effective action formalism and within a time-dependent density matrix formalism.

研究动机与目标

• 理解杂质散射在非平衡条件下对超导体中希格斯模态光学响应的增强作用。
• 利用双脉冲淬火-探测方案，对单带和双带超导体的时间分辨光学电导率进行建模。
• 阐明希格斯、莱格特及准粒子模态在无序超导体中三倍频生成（THG）中的贡献。
• 将理论预测与现有实验结果进行验证，特别是针对MgB2的实验结果。
• 比较两种理论框架——图解有效作用量与时间依赖密度矩阵形式化——在描述无序超导体中非平衡动力学方面的表现。

提出的方法

• 采用马蒂斯-巴丁近似，通过洛伦兹加宽的顶点引入有限动量转移，建模杂质散射对光学电导率的影响。
• 采用双脉冲淬火-探测设置：短泵浦脉冲诱导非平衡态，时间延迟的探测脉冲测量系统随时间演化的光学响应。
• 应用基于有效作用量形式化的图解方法，通过马蒂斯-巴丁框架推导出的有效有限动量相互作用顶点。
• 建立时间依赖密度矩阵方法，模拟超导序参量的非平衡动力学及其与光的耦合。
• 通过分解希格斯、莱格特及准粒子模态的贡献，计算三倍频生成（THG）响应。
• 对比两种形式化方法的结果，以确认一致性，并深入理解无序系统中希格斯激发的物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 杂质散射如何在清洁极限之外增强超导体中的光学希格斯响应？
• RQ2 在双脉冲淬火-探测激发下，单带与双带超导体的时间分辨光学电导率响应如何？
• RQ3 在无序双带超导体中，主导三倍频生成的集体模态是希格斯、莱格特还是准粒子模态？
• RQ4 为何MgB2中的三倍频响应仅在低能隙处呈现共振？无序如何影响这一现象？
• RQ5 图解方法与密度矩阵形式化在建模无序超导体中非平衡动力学时，其结果在多大程度上等价？

主要发现

• 杂质散射诱导了对超导凝聚态的主导反磁耦合，显著增强了无序极限下希格斯模态的光学响应。
• 通过双脉冲淬火-探测设置计算的时间分辨光学电导率与现有超导希格斯振荡实验数据高度一致。
• 在MgB2等双带超导体中，三倍频生成响应仅在低能隙处表现出共振，与无序极限下的实验观测一致。
• 希格斯模态对三倍频信号有显著贡献，而莱格特模态和准粒子贡献则处于次要地位，尤其在低能隙通道中。
• 基于有效作用量形式化的图解方法与时间依赖密度矩阵形式化所得结果等价，验证了两种方法在研究非平衡动力学中的可靠性。
• 本研究证实，无序对于在非线性光学实验中观测强希格斯模态信号至关重要，解决了此前理论对清洁体系中信号微弱的疑虑。