物理学院王楠林课题组与合作者在多带超导体集体模式的选择性激发方面取得进展
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王楠林教授课题组及合作者通过系统性地调控太赫兹（THz）泵浦脉冲的特性，在双带超导体二硼化镁（MgB2）中实现了集体激发模式的选择性激发和探测。该工作澄清了领域内长期存在的争议，为有效区分和识别多带超导体中的希格斯模（Higgs mode）和莱格特模（Leggett mode）提供了清晰的实验路径。该工作以《多带超导体MgB2中集体模式的选择性激发》 （“Selective Excitation of Collective Modes in Multiband Superconductor MgB2”）为题，于近期发表在学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
不同于超导体中的单粒子激发，超导体还具有特殊的集体激发模式。超导凝聚破缺U(1)规范对称性会导致体系产生有能隙的振幅集体激发模式（常称为Higgs模）。对超导序参量集体激发模式的直接探测，有望为理解超导电性提供新的启示。然而，在MgB2等多带超导体中，情况变得更为复杂。除了各个能带自身的希格斯模外，不同能带超导凝聚相对相位涨落还会催生出额外的莱格特模。这些模式在光谱上常常发生重叠，导致实验信号的归属存在很大争议。厘清这些模式的特性，并实现对特定模式的有效调控，是理解多带超导电性的一个关键突破口。
图1：多周期太赫兹泵浦-探测实验结果。二维傅里叶变换频谱（f）可以分解出不同的非线性过程，并识别出与希格斯模相关的信号
图2：多周期泵浦下非线性信号的依赖关系。非线性信号的光谱权重（c）在满足共振条件时出现增强，证实了其与π带希格斯模的关联
在前期关于常规超导体和铜氧化物高温超导体希格斯模探测的基础上，王楠林课题组利用两种不同特性的太赫兹泵浦脉冲，对MgB2薄膜的非线性响应进行了系统研究，观测到了可通过泵浦脉冲选择性激发的集体模式：一是当使用多周期太赫兹脉冲进行周期性驱动时，实验清晰地识别出了来源于π带的希格斯模。其关键证据在于，当泵浦光子能量满足特定共振条件时，探测到的非线性信号（如2ω频率的四波混频信号）强度表现出特征性的共振增强行为。二是当转而使用单周期太赫兹脉冲进行非绝热“淬火”激发时，实验则观测到了一种完全不同的现象：一个频率与理论预期的莱格特模频率一致的强阻尼振荡。
图3：单周期太赫兹泵浦-探测实验结果。 实验观测到一个频率与莱格特模吻合的强阻尼振荡（d、e），证实了通过单周期脉冲可以选择性激发莱格特模
上述实验结果清晰地表明，通过“定制”太赫兹泵浦脉冲的波形，可以“选择性”地激发和放大特定的集体模式。这种模式选择性的响应不仅成功地调和了先前不同实验给出的看似矛盾的结论，而且深刻揭示了带间耦合在多带超导体集体模式观测中的关键作用。这项工作不仅为解决MgB2中的长期争议提供了确凿的实验证据，更重要的是，它建立了一套通过调控激发条件来区分和研究复杂超导体中多种集体模式的通用实验范式。
北京大学物理学院量子材料科学中心2020级博士生袁佳雨为论文的第一作者，量子材料科学中心董涛副研究员和王楠林为共同通讯作者。MgB2超导薄膜样品由物理学院甘子钊院士和王越副教授研究组提供。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
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