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2017 Fiscal Year Annual Research Report

高強度テラヘルツパルス技術による超伝導体のヒッグスモードの研究

Research Project

Project/Area Number 15H05452
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

松永 隆佑  東京大学, 物性研究所, 准教授 (50615309)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywordsテラヘルツ分光 / 超伝導 / ヒッグスモード
Outline of Annual Research Achievements

超伝導における集団励起モード(ヒッグスモード)は線形応答では光と相互作用しないためこれまでほとんど調べられていなかったが、超伝導ギャップエネルギー以下の高強度テラヘルツ波を用いて非線形応答を調べることによって、ヒッグスモード由来の応答を検出することができるようになる。ただし集団励起と同時に個別励起(電荷密度揺らぎ)による非線形応答の影響も同時に現れるため、集団励起と個別励起の寄与を区別して理解する必要がある。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ほうが非常に大きいことが指摘されていたが、BCS理論では無視されてしまう対形成相互作用の遅延効果まで取り込むと集団励起の寄与のほうが大きくなるため、理論から定量的に比較することは非常に難しい。
そこで我々は、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区別する実験に取り組んだ。単結晶の窒化ニオブに対する偏光分解テラヘルツ非線形透過測定を行い、第三高調波を観測して3次の非線形効果の対称性を調べることによって、集団励起の寄与のほうが支配的であることを明らかにした。この結果は、BCS理論がよく成り立つとされる従来型超伝導体においても、その非線形応答を記述する際にはBCS平均場近似が破綻していることを示している。
さらにd波の対称性を持つ銅酸化物高温超伝導体に対しても高強度テラヘルツ波が誘起する非線形応答を調べた。偏光を回転させることで可視域の反射率変化の対称性を調べ、対称性ごとに分類した。個別励起ではB1g対称性の応答が最も強くなるはずであるが、実験ではA1g対称性の応答が最も大きく、これは集団励起の全対称モードによる非線形信号であることがわかった。これはd波超伝導におけるヒッグスモードを初めて観測した実験となった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

「研究実績の概要」欄で述べた成果は、従来型超伝導体(窒化ニオブ)に関する研究はPhysical Review B誌のRapid Communicationsに掲載された。またd波高温超伝導体(ビスマス系銅酸化物)に関する研究はPhysical Review Letters誌に掲載され、Editors' Suggestionに選出された。
そのほか、マルチバンド超伝導体における非線形応答から集団励起を調べる実験が進んでいるほか、臨界電流ぎりぎりの電流下においてヒッグスモードを線形応答で検出する実験も進んでいる。これらはいずれも日本物理学会で報告し、論文投稿に向けて準備中である。

Strategy for Future Research Activity

これまでの超伝導体に対する高強度テラヘルツ実験は、ニオブ酸リチウムの光整流効果を利用した1THz近傍の周波数帯に限られていた。超伝導ギャップエネルギーの小さい従来型超伝導体ではこれが適していたが、銅酸化物高温超伝導体やマルチバンド超伝導体MgB2などにおいて非線形応答と非平衡ダイナミクスを調べるには、より高周波の高強度テラヘルツ発生が求められる。今年度はニオブ酸リチウムを窒素冷却してフォノン吸収を抑えることで3THzほどの帯域での高強度テラヘルツ発生を可能にする。さらに10THz以上の高周波テラヘルツ領域における高強度光源を開発し、超伝導研究に適用する。

  • Research Products

    (12 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Universite Paris Diderot(France)

    • Country Name
      France
    • Counterpart Institution
      Universite Paris Diderot
  • [Int'l Joint Research] Brookhaven National Lab(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Brookhaven National Lab
  • [Journal Article] Higgs Mode in the d-Wave Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x Driven by an Intense Terahertz Pulse2018

    • Author(s)
      Kota Katsumi, Naoto Tsuji, Yuki I. Hamada, Ryusuke Matsunaga, John Schneeloch, Ruidan D. Zhong, Genda D. Gu, Hideo Aoki, Yann Gallais, and Ryo Shimano
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 120 Pages: 117001-1/-6

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.117001

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Polarization-resolved terahertz third-harmonic generation in a single-crystal superconductor NbN: Dominance of the Higgs mode beyond the BCS approximation2017

    • Author(s)
      Ryusuke Matsunaga, Naoto Tsuji, Kazumasa Makise, Hirotaka Terai, Hideo Aoki, and Ryo Shimano
    • Journal Title

      Physical Review B Rapid Communications

      Volume: 96 Pages: 020505-1/-5

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.020505

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 銅酸化物超伝導体La2-xSrxCuO4のテラヘルツ帯光励起非平衡ダイナミクス2018

    • Author(s)
      丹羽宏彰, 吉川尚孝, 泊開人, 松永隆佑, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会 第73回年次大会(2018年)
  • [Presentation] 超伝導体NbNの偏光分解テラヘルツ第三高調波発生:ヒッグスモードの支配的寄与とBCS近似の破綻2017

    • Author(s)
      松永隆佑, 辻直人, 牧瀬圭正, 寺井弘高, 青木秀夫, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会 2017年秋季大会
  • [Presentation] テラヘルツ分光による銅酸化物超伝導体La1.6-x Nd0.4 SrxCuO4の光励起ダイナミクスの観測2017

    • Author(s)
      丹羽宏彰, 泊開人, 松永隆佑, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会 2017年秋季大会
  • [Presentation] テラヘルツポンププローブ分光で探るFe(Se,Te)薄膜の超伝導およびネマティック秩序2017

    • Author(s)
      富田圭祐, 松永隆佑, 川合将敬, 浅見大亮, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会 2017年秋季大会
  • [Presentation] 超伝導体NbNにおける直流電流とヒッグスモードの結合2017

    • Author(s)
      飯田雄大, 松永隆佑, 中村祥子, 寺井弘高, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会 2017年秋季大会
  • [Presentation] テラヘルツ非線形分光による超伝導ダイナミクス研究の戦略2017

    • Author(s)
      松永隆佑
    • Organizer
      シンポジウム「テラヘルツ科学の最先端IV」
    • Invited
  • [Presentation] Exploring THz-induced dynamics of a d-wave superconducting condensate in the cuprate Bi2Sr2CaCu2O8+δ2017

    • Author(s)
      K. Katsumi, Y. I. Hamada, R. Matsunaga, J. Schneeloch, R. D. Zhong, G. D. Gu, Y. Gallais and R. Shimano
    • Organizer
      6th international conferences on photoinduced phase transitions
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 銅酸化物高温超伝導体で超伝導の“さざ波”のヒッグスモードの観測に成功

    • URL

      http://www.phys.s.u-tokyo.ac.jp/press/13679/

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Published: 2018-12-17   Modified: 2022-10-14  

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