2020 Fiscal Year Annual Research Report

Establishment and application of a current-inducing method to observe superconducting Higgs modes

Research Project

Project/Area Number	18K13496
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	中村祥子東京大学, 低温科学研究センター, 特任助教 (00726317)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	ヒッグスモード / 超伝導 / 秩序変数 / テラヘルツ / 電流注入
Outline of Annual Research Achievements	超伝導秩序変数の振幅の振動であるヒッグスモードは、超伝導秩序を調べる新しい超高速プローブとして注目されている。ヒッグスモードは電気分極や磁気分極を伴わないので、高強度テラヘルツ光源を用いた非線形測定によって観測されてきたが、近年、超伝導電流を注入すると、比較的弱いテラヘルツ光源を用いた光学伝導度測定でも観測できることが理論的に示された。本研究では、まず、過去に高強度光源を用いた過渡応答や第三高調波の実験および理論計算が行われてきた、いわばヒッグスモードの標準試料と言えるs波超伝導体の窒化ニオブ（NbN）薄膜について、直流電流を注入しながら透過配置の光学伝導度測定を行い、超伝導ギャップ端のエネルギーにおいて、超伝導秩序変数のヒッグスモードに起因するピークを観測した。観測されたピークの偏光依存性や電流依存性は理論予測に合致しており、超伝導体の各種パラメータを用いた数値計算では実験結果と定量的に一致する結果が得られた。温度依存性や、異なる厚さの試料を用いた測定から、s波超伝導体のヒッグスモードの特徴であるギャップとヒッグスモードのエネルギーの対応関係も確認し、電流注入下の光学伝導度測定によって超伝導秩序変数のヒッグスモードが観測できることを実証した。さらに、この電流注入の手法を、同じNbNの薄膜において、狭帯域テラヘルツ波パルスに対する非線形応答の測定にも拡張したところ、直流電流による時間・空間反転対称性の破れを反映し、巨大な非相反第２高調波が観測された。共鳴周波数の電流依存性や、発生強度の磁場依存性から、観測された第２高調波は、NbN薄膜にピン止めされた磁束量子による応答だと考えられる。これらの測定に加え、上記２種類の電流注入法を他の超伝導体へ応用するために、大電流を小さな接触抵抗で導入するための要素技術を開発し、複数の物質系について有効性を確認した。