Dynamics of Coherent and Incoherent Excitations in Driven YBa2Cu3O6.48

Abstract

Ultrakurze Lichtpulse, insbesondere im mittleren Infrarot-Spektralbereich, haben sich zu mächtigen Werkzeugen für die nicht-thermische Kontrolle von elektronischen und magnetischen Phasen in stark korrelierten Materialien entwickelt. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die durch Licht induzierte Supraleitung in unkonventionellen Supraleitern weit über ihren kritischen Temperaturen im thermischen Gleichgewicht. In der Bi-Lagen Kupratverbindung YBa2Cu3O6+x zeigt die resonante Anregung von apikalen Sauerstoffphononen, dass supraleitungsähnliche optische Eigenschaften bis zur Raumtemperatur induziert werden können. Mehrere Studien haben versucht, die mikroskopischen Mechanismen hinter diesem Phänomen zu identifizieren, wobei gezeigt wurde, dass die kohärent getriebenen Phononen die Kristallstruktur transient verzerren, um den supraleitenden Zustand zu favorisieren. Darüber hinaus koppeln diese Phononen in einer nichtlinearen Wechselwirkung zu Anregung, die mit dem Tunnelen von supraleitenden Cooper-Paaren zwischen den Lagen dieses Materials verbunden sind, wodurch die Supraleitung in YBa2Cu3O6+x verstärkt wird. Allerdings ist der transient supraleitende Zustand kurzlebig und besteht nur für einige Pikosekunden, was seine potenziellen Anwendungen begrenzt.

Bei der optischen Anregung generieren inkohärente Dissipationsprozesse heiße Ladungsträger, wie nicht-supraleitende Quasiteilchen, und Phononen, die letztendlich die Temperatur des Systems erhöhen. Die Wechselwirkung zwischen dem kohärenten "kalten" Suprafluid und den inkohärenten "heißen" Anregungen ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Lebensdauer des supraleitenden Zustands. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Temperaturdynamik von Quasiteilchen und Phononen in optisch getriebenen YBa2Cu3O6+x zu charakterisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte ich ein Experiment für die zeitabhängige spontane Raman-Streuungsspektroskopie, um die Zunahme der Phonontemperaturen, die nach der mittleren Infrarot-optischen Anregung folgen, zu untersuchen. Durch Messung der Stokes- und Anti-Stokes-Raman-Streuungsinensitäten eines "Beobachter"-Phonons wurde eine Zunahme der Phonontemperatur von 100 K auf 240 K beobachtet. Dieses Ergebnis wurden mit dem Temperaturanstieg inkohärenter Quasiteilchen verglichen, der über zeitabhängige Terahertz-Spektroskopie Messungen abgeschätzt wurde. Erstaunlicherweise wurden ähnliche Temperaturdynamiken für Phononen und Quasiteilchen gefunden, was darauf hindeutet, dass beide eine vergleichbare Rolle in der Limitierung der Lebensdauer des transienten supraleitenden Zustands spielen. Diese Ergebnisse bieten quantitative Einblicke in die Natur des optisch getriebenen Zustands und weisen auf potenzielle Strategien für die Optimierung dieses Phänomens hin.