| 研究課題/領域番号 |
15H05452
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
松永 隆佑 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (50615309)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | テラヘルツ分光 / 超伝導 / ヒッグスモード |
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| 研究実績の概要 |
窒化ニオブ(NbN)におけるテラヘルツ帯の非線形感受率を詳細に調べた。我々は2014年に超伝導体NbNに対してギャップ以下の周波数の強いテラヘルツ電場を入射すると第三高調波が発生すること、これが超伝導特有の集団励起（ヒッグスモード）と光の共鳴効果によるものであることを示した。ただし集団励起と同時に個別励起（電荷揺らぎ）の共鳴も存在しており、BCS平均場近似の下では集団励起よりもむしろ個別励起の寄与の方が遥かに大きいことがイタリアの理論グループから指摘されて解釈が議論になっていた。現実には、従来型超伝導と分類されている物質であっても対形成に関する遅延相互作用のようにBCS平均場近似では無視されてしまう効果が存在する。そのためBCS近似では集団励起の寄与が何桁も過小評価されてしまうことが理研等の理論グループによって最近明らかにされた。つまり超伝導の非線形感受率の計算は多体効果の近似の選び方に強く依存するため、理論から定量的にその起源を予測することはほぼ不可能である。
我々は結晶軸に対する入射電場の偏光依存性を調べることで、対称性から集団励起と個別励起を明確に区別できると考え、理論と実験の両面から研究を進めた。単結晶NbNに対して偏光分解非線形テラヘルツ透過測定を行うことで、第三高調波の強度は入射電場と結晶軸の関係に依らずにほぼ一定であること、任意の角度において入射電場と第三高調波の偏光は一致していることを確かめた。これは集団励起の寄与の方が圧倒的に大きいことを意味している。通常NbNは従来型超伝導に分類されるが、BCS近似で仮定される弱結合極限からは逸脱して対形成相互作用が比較的強いことも知られており、このような超伝導体における非線形感受率においてはBCS近似が完全に破綻し、集団励起の寄与が支配的となっていると考えられる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
「研究実績の概要」欄で述べた研究成果はarXivで公開し、論文として投稿中である。
このほか、d波の対称性を持つ銅酸化物高温超伝導体や強結合領域に存在する鉄カルコゲナイド超伝導体に着目し、非常に強いテラヘルツ(THz)波を用いたTHzポンプ-THzプローブ、あるいはTHzポンプ-可視光反射プローブによって、非平衡状態の応答からd波超伝導における集団励起やTcより遥か高温で発現する超伝導揺らぎを調べる研究が進んでいる。
ほかにもc軸方向に天然のジョセフソン結合が連なった銅酸化物高温超伝導体に対して高密度光励起を行い、その非平衡状態をTHz波で検出することで、超伝導が周期的に弱まって自発的に超格子構造を組む興味深い実験結果を観測した。これらの結果はいずれも学会で報告し論文投稿に向けて準備中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後はd波超伝導や強結合超伝導の非平衡ダイナミクスを解明するために様々なドープ濃度の試料を用いて実験を進める。それに加え、マックスプランクの研究グループが報告して世界中で話題を集めたにも関わらず未だ再現実験が報告されていない光誘起超伝導現象について追試に取り組む。ストライプ電荷秩序が発達して超伝導が抑制された銅酸化物試料に対し、非常に強い高強度光パルスで励起してその超高速ダイナミクスをTHz帯でプローブすることにより、超伝導発現の証拠となりうるジョセフソンプラズマ共鳴が観測されるかどうかを検証していく。
また電流下の超伝導における線形応答の測定にも取り組む。ヒッグスモードは非線形応答でしか光と結合しないため、線形応答の吸収スペクトルには何の信号も現れないが、超伝導体中に巨大な電流を流して超流動密度に大きな運動量を持たせた非平衡定常状態をつくると、線形応答によってヒッグスモードが観測可能になる可能性がある。ごく最近理論的に提案された非常に興味深い現象であり、これが可能なら様々な超伝導体において未解明の集団励起を検出する手段となりうるため、その検証に取り組む。
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