2020 Fiscal Year Annual Research Report
テラヘルツ光を用いた鉄系超伝導体における光相制御および光誘起超伝導の研究
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20J22275
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
礒山 和基 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 鉄系超伝導体 / 光誘起超伝導 / テラヘルツ分光 / 超高速現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに我々は，鉄系超伝導体FeSe1-xTexに近赤外光を照射した際にその秩序状態がどう変化するかを，光子エネルギーが超伝導ギャップエネルギーと同程度であるテラヘルツ(THz)波を用いて調べてきた．特に超伝導秩序変数の発達をピコ秒以下の時間分解能でプローブできる手法であることが確かめられているTHz波第3高調波発生を，近赤外光パルス照射後のFeSe1-xTex薄膜において観測したところ，一時的にTHG強度が増加する振る舞いが見られた．本年度我々はFeSe1-xTexの非平衡状態におけるTHz帯光学伝導度を調べ，THGの光励起ダイナミクスとよく合致する振る舞いとして，超流動密度を反映する光学伝導度虚部の発散的信号が過渡的に増加する様子も観測された．THGと光学伝導度虚部の光励起ダイナミクスはどちらも，FeSe1-xTexの超伝導秩序変数が光照射により増強したことを反映していると考えられる．
FeSe1-xTexは複数の鉄3d軌道がフェルミレベル近傍に集まってホールバンドと電子バンドを形成するマルチバンド超伝導体であり，その超伝導発現にはこれらのバンド間の相互作用が重要であると考えられている．我々はFeSe1-xTexの複素光学伝導度をホールバンドからの寄与と電子バンドからの寄与に分解して調べることで，近赤外光照射が最初の数ピコ秒の間はホールバンドにのみ影響を及ぼすことを明らかにした．また光照射後の光学伝導度を超伝導転移温度以上と以下で比較した結果，超伝導転移温度以下で見られた超伝導秩序変数の増強が，光励起により生じた少量のホールキャリアによりバンド間相互作用が増強したことに由来する可能性を明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに我々は鉄系超伝導体FeSe1-xTexにおける光照射後のTHz第3高調波発生を調べることで，超伝導秩序変数の増強を反映すると思われる信号を光照射後数ピコ秒の間観測した．本年度は光照射後のTHz帯の光学伝導度を測定することで，非平衡状態における光学伝導度スペクトルの虚部にも超伝導秩序変数の増強に対応すると考えられる信号が見られることを明らかにした．さらに光学伝導度スペクトルをホールバンドおよび電子バンドからの寄与に分解することで，光誘起超伝導増強現象の起源として光励起により生じた少量のホールキャリアにより電子バンドとホールバンドの間のバンド間相互作用が増強した可能性があること，また近赤外光照射直後は電子バンドはほとんど変調を受けず，それゆえ系全体が準熱平衡状態になるまでの間にホールバンドが増強できることを示した．これらは鉄系超伝導体がマルチバンドでかつバンド間相互作用が強い系であることに起因しており，超伝導発現機構の解明にも寄与する重要な結果であると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は強い近赤外光パルス照射や中赤外光パルスの照射した鉄系超伝導体のTHz波に対する光学応答を調べ，光励起が鉄系超伝導体にもたらす効果を明らかにすることを目指す．特に鉄系超伝導体FeSeにおいては金属相に格子変位を伴うような強い近赤外光パルスを照射すると，超伝導状態に対応する光電子スペクトルが得られるという報告がある．これまでに我々はTHz-THGが超伝導秩序変数の光学的なプローブとして活用可能であることを示しており，これを用いることで格子変位を伴うような強い近赤外光照射が超伝導秩序に与える影響も明らかにできると考えられる．
一方我々が報告した光誘起超伝導増強現象においても同様に近赤外光を用いているが，照射した光強度が非常に低く，格子変位よりもむしろホールバンドに電子ホールペアを生成する効果が寄与していると考えている．近赤外光の光子エネルギーはバンド計算などで予想されているホールバンドのバンド間遷移のエネルギーより高く，光励起の果たす役割を解明するためには他のバンドの間の電子励起がより抑制される低光子エネルギーの光を用いる必要がある．この目的のため，広い範囲で光子エネルギーを調整できる中赤外光源を開発し，光誘起超伝導増強現象の励起光子エネルギー依存性を解明する．
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