物理学院王楠林课题组与合作者在铜氧化物高温超导体非平衡态太赫兹光谱研究中取得新进展

最近,北京大学物理学院量子材料中心王楠林教授课题组与合作者利用时间分辨太赫兹光谱系统研究了铜氧化物高温超导体La2-xBaxCuO4的非平衡态光学响应,在存在超导和条纹序竞争的样品(x=0.114,0.125)中发现近红外泵浦光可以熔化条纹序但并不能诱导瞬态三维超导。该工作以《La2−xBaxCuO4体系中光致竞争条纹序熔化但未诱导超导》(Light-Induced Melting of Competing Stripe Orders without Introducing Superconductivity in La2−xBaxCuO4)为题,于2024年3月4日发表在《物理评论X》(Physical Review X)上。

近年来,超快激光与凝聚态物理的交叉融合不断深入,涌现出众多新的研究前沿和热点,推动了学科的创新发展。利用超短激光脉冲不仅可以发展各种超快时间分辨的谱学技术,探测和表征量子材料的非平衡态和非线性响应和性质,而且可以驱动量子材料发生非热相变,实现对量子物态超快调控。在超导研究领域,该方面的发展推动和产生了两个令人关注的新兴研究前沿,一是超导体中集体激发Higgs模的非线性/非平衡态探测,另一个是光激发所诱导可能的“瞬态高温超导”。在后一方面,文献报道铜氧化物高温超导体系中的光诱导“瞬态超导”甚至可出现在室温以上温度,引起了凝聚态物理领域的广泛关注。

然而,铜氧化物高温超导体正常态中的“瞬态超导”仅能维持数个皮秒(1 ps = 10-12 s),极短的持续时间使得通过输运和磁化测量直接探测超导的零电阻现象和迈斯纳效应变得十分困难。“瞬态超导”的实验证据主要来自晶体c轴方向的超快太赫兹光谱响应,主要表现为泵浦光激发后反射率出现类似于平衡态约瑟夫森等离子体边的形状,电导率虚部有1/依赖特征。但后续研究表明,光激发后电导率实部的瞬态变化不满足超导凝聚的谱重求和规则,另外受限于时域太赫兹光谱在低频段的测量范围,晶体c轴方向的超快太赫兹光谱并不能真正区分瞬态超导与散射率极小的正常载流子对光电导谱的贡献 【Phys. Rev. X 10, 011056 (2020)】。

由于c-方向的瞬态光谱响应特征能否被判断为超导存在争议和不同解释,需要开辟新的途径对此开展进一步研究。在铜氧化物高温超导体中,超导凝聚主要发生在CuO2平面内,而沿着c轴的超流响应是由库珀对的约瑟夫森隧穿产生的。因此自然可以认为如果沿c轴建立了瞬态超导状态,在CuO2平面内应该同时观察到超导响应。否则,如果面内瞬态响应不是超导,则c轴太赫兹谱中出现的光致反射率边则不应归因于光致瞬态超导。因此,瞬态ab面内太赫兹响应可以帮助研判光诱导的非平衡状态是否是超导态。

王楠林课题组与美国布鲁克海文国家实验室的C. C. Homes教授和顾根大教授等合作,系统研究了La2-xBaxCuO4(x=0.114,0.125)体系存在条纹序样品正常态各向异性的超快太赫兹光谱响应。他们利用自主建设的“光泵浦-太赫兹探测”时域测量系统测量了超导温度以上ab面内和c方向的瞬态太赫兹响应,发现虽然c轴太赫兹光谱中出现了泵浦诱导的反射率边特征,但沿CuO2平面的反射率是同时降低,分析表明源自准粒子的散射速率增加。这种面内瞬态响应明显不是超导凝聚的谱学特征,因此进一步说明c轴瞬态响应也不能用等效的约瑟夫森隧道效应来解释。该工作表明,用光子能量远高于铜酸盐超导能隙的泵浦脉冲熔化竞争的条纹序并不能诱导瞬态三维超导。

La2-xBaxCuO4样品在偏振平行于c轴近红外NMR泵浦光激发后的瞬态太赫兹响应,其中(a)NIR泵浦-太赫兹探测示意图,(b)La2-xBaxCuO4体系相图(源自PhysRevB.83.104506),(c)x=0.125与0.114样品在温度为5K时平衡态ab平面和c轴方向的反射率,(d)x=0.125样品正常态5K温度时在1300 nm泵浦光激发后太赫兹电场相对变化随时间延迟的依赖行为,(e)考虑泵浦光和太赫兹探测光穿透深度不匹配效应后计算得到的c轴太赫兹反射率,低频出现类似约瑟夫森等离子体边的特征,(f)泵浦后ab平面太赫兹反射率降低,与超导凝聚性质相反

该工作中,北京大学物理学院量子材料中心博雅博士后张思捷为文章的第一作者,张思捷和王楠林为文章的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和美国能源部基础能源科学基金的支持。

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