探测高温超导体Higgs模和揭示超导与赝能隙关系方面取得进展

【彩奇分享】

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王楠林教授课题组和合作者利用强场太赫兹三次谐波技术在铜氧化物高温超导体钇钡铜氧(YBa2Cu3O6+x, YBCO)中观测到超导态序参量和赝能隙态序参量动力学相互作用的证据。该工作为理解赝能隙的本质以及其与超导态之间的相互关系和相互作用提供了新的实验依据。该工作以《铜基超导体中超导态和赝能隙态的动力学相互作用》 (“Dynamical interplay between superconductivity and pseudogap in cuprates as revealed by terahertz third harmonic generation spectroscopy”) 为题，于2024年2月9日在线发表于《科学进展》(Science Advances)。

铜氧化物高温超导体自被发现以来一直是凝聚态物理最重要的研究领域之一，其高温超导机理和相关奇异金属性质的理解一直未能得到解决和取得共识。已报道各种谱学(包括扫描隧道谱、角分辨光电子能谱、红外光谱、NMR等)测量和各种电子输运测量均发现在远高于超导转变温度区间已经有能隙(赝能隙)打开的迹象，然而经过三十多年的研究赝能隙和超导之间的相互关系尚未有定论。一种观点认为在赝能隙出现温度电子已经开始形成库珀对，但预配对电子未形成长程的相干态;另外一种观点认为赝能隙是一个新的、完全独立于超导的量子物态。厘清赝能隙和超导电性之间的关系及其相互作用是被认为是理解铜基超导电性起源的一个重要突破口。需注意的是这些谱学和输运测量探测的都是样品中单粒子激发响应和行为。

不同于超导体中的单粒子激发，超导凝聚还具有特殊的集体激发。通常连续对称性的自发破缺会导致出现零能量的相位集体模式(常称为Nambu-Goldstone模)和有能隙的振幅集体激发模式(常称为Higgs模)，但是对于超导体来讲，超导凝聚破缺的是整体U(1)规范对称，零能的相位集体模式被吸收进电磁场的纵向分量，其能量被推至高能的等离子体频率，这被称为Anderson-Higgs机制，这是超导体具有完全抗磁性(Meissner效应)的根源。超导凝聚仅存在的集体激发是振幅集体模式，即Higgs模，其能量在长波极限刚好是二倍超导能隙。Higgs模不携带电荷、自旋、电偶极矩和磁偶极矩，在线性响应范围不与电磁场发生耦合，除了一些特殊的材料系统(如与电荷密度波共存系统)，很难用普通的谱学和电磁响应技术进行探测。另外超导体能隙的能量尺度一般都很小，在meV能量区域，原则上要求激发光的能量尺度小于超导能隙，近些年由于脉冲激光技术的发展，实现了太赫兹能量区间的强场泵浦源才使得超导序参量的集体激发模式(Higgs模)系统探测成为可能。理论和实验均表明在太赫兹脉冲驱动时间尺度内，由于Higgs模与太赫兹电场的非线性耦合会导致出现驱动太赫兹脉冲三次谐波信号，并且在驱动太赫兹能量与Higgs模能量相同时出现共振加强。通过对铜基超导体中超导序参量集体模式的直接探测，有希望为理解铜基超导体的超导电性以及其与赝能隙相互关系和作用提供新的启示。

图1：不同掺杂YBCO薄膜样品和最佳电子型掺杂LCCO薄膜样品的太赫兹三次谐波谱测量。(O)图为太赫兹三次谐波谱定义的特征温度TTHG，该温度在宽掺杂区间内和赝能隙温度T*趋势一致

在前期MgB2【Phys. Rev. B 104, L140505 (2021)】和NbN 【Phys. Rev. B 105, L100508 (2022)】常规超导体中Higgs模探测的基础上，王楠林课题组对不同掺杂的YBa2Cu3O6+x样品进行了系统的强场太赫兹驱动实验，观测到与常规超导体不同的太赫兹三次谐波信号：(1)太赫兹三倍频信号在正常态就开始出现，随掺杂浓度的降低，信号开始出现的温度单调升高，其温度对掺杂的依赖行为与高温超导相图中赝能隙出现的温度行为一致，如图1所示。(2)对于最佳掺杂组分样品，太赫兹三倍频信号随温度降低在超导转变温度Tc附近出现反常，在时域谱上出现拍频，经傅里叶变换后的频域谱在高于和低于之前三倍频峰值位置出现劈裂的两个峰，这种劈裂随着温度进一步降低而消失，如图2所示。(3)在低于Tc某个温度太赫兹三倍频信号达到最大值，表明存在共振增强行为。但随着欠掺杂增强，上述反常逐渐模糊和消失，太赫兹三倍频信号显示随温度降低单调增加，共振消失。(4)作为对比，测量了没有赝能隙的电子型高温超导体的太赫兹驱动实验，发现三倍频信号只在超导温度以下出现。

声明：本文内容仅代表作者个人观点，与本站立场无关。如有内容侵犯您的合法权益，请及时与我们联系，我们将第一时间安排处理