超短雷射用來探測有機超導體生成的二次諧波

2020-09-11 江蘇雷射產業創新聯盟

Ultra-Short Laser to Detect Second Harmonic Generation in Organic Superconductors

超短雷射用來探測有機超導體生成的二次諧波

在當代信息技術中 ，中央處理器（central processing unit，簡稱CPU）中電子的移動承擔著加工和傳輸數據的功能。

有機超導體 κ-BEDT-TTF 化合物中由於倍頻非線性電流誘導產生的SHG的示意圖

電路中電子的移動通過外加電場以一定的方向移動。例如，CPU時鐘，顯示電子運動的開關操作頻率，大約在千兆赫。與之相反，光的振蕩光場 的 頻率大約在兆赫，具有獲得電子運動開關操作頻率達到兆赫的能力。如果電子的運動以光的頻率進行移動的話，數據處理的速率同傳統的計算機相比，可以達到可以快上百萬倍 。

但是，光的電磁振蕩從裡沒有極化電流 （即，平均電流在光的脈衝時間為零的時候）。這是因為光場的振動要麼是空間上對稱，要麼是時間對稱的。

來自日本東北大學、名古屋大學、分子科學研究所、日本岡山理科大學以及東京都 / 私立中央大學的研究小組，在最近利用超短脈衝雷射照射並成功的將有機超導體中的電子轉移成以特定的方向進行運動。

根據歐姆定律，誘導的電流（也即電子的運動方向）是同施加的電場呈正比的。必須要注意的是，依據歐姆定律，在固態中電子有時候是會分散的。因此，電子-電子和/或電子-聲子的分散過程決定著材料的電阻。

但是如果施加的電場可以在時間尺度比分散的時間要短的話，在固態中的電子缺乏足夠的時間來進行平均。電子應該代替成加速的狀態，從而產生極化淨電流 。

因此，該研究團隊使用超短雷射脈衝以期望獲得這一分散的自由電流。這些脈衝足夠的短，比電子散射時間要短的多（有機超導中大約為40 fm）。

但是這一實驗有一個主要的障礙：就是不可能獲得諸如短時電流的電氣檢測，因此，該研究團隊使用光學探測器來完成。而且，眾所周知，二次諧波生成（second harmonic generation (SHG) ）是優先選用的用來識別電子對稱破缺 的方法，正如鐵電材料中的宏觀偶極矩一樣。極化電流，是另外一種電子對稱破缺，也可以實現二次諧波生成。

項目團隊使用超短脈衝雷射，該脈衝雷射的脈衝寬度大約為6 fs (6 × 10−15 seconds)，施加到有機中心對稱超導體上，稱之為κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br，並且，識別為SHG（二次諧波生成），如上圖所示。但這同常規的認知存在差別，這是因為SHG（二次諧波生成）只有在這些材料中的空間對稱性不完整的時候才會發生。

在中心對稱超導體 中 SHG（二次諧波生成）的識別則意味著極化淨電流在光照射的時候發生。

為了證實這一非線性極化電流，研究團隊分析了載波包絡相位（CEP：相對相存在於光的振蕩及其他的包絡中）依靠SHG，這是因為受到電流的誘導，CEP比較敏感的本質所決定的。

隨著CEP的變化，SHG強度呈現周期性的變化，並被觀察到，確實可以歸因於散射自由電流的功勞。

研究團隊進一步的研究則表明 超導性和散射自由電流之間存在關聯。當前的研究則表明SHG的確在不高於15K（遠遠高於導轉變溫度，TSC（超導轉變溫度）= 11.5 KC）的溫度下可以識別出來。

研究結果同時也表明SHG的快速識別建立在轉變溫度不高於 25 K (∼2 × TSC)的基礎之上的。這表明自由散射電流是超導波動的響應。

在大多數超導體中，超導的微觀種子，或言之超導波動，在溫度高於超導轉變溫度的時候可以探測到。二次諧波的強度的增加似乎同超導性的變化相關。

隨著對散射自由非線性倍頻電流 的進一步的理解，我們有可能使得電腦的太赫茲運行速度可以是現行的千兆赫運行速度的一百萬倍。這一現象可以用來作為闡述超導狀態的微觀機理，因為它對超導的波動非常敏感。

採用SHG和 雙光子激發螢光對細胞成像和（細） 胞外基質進行觀察的結果

With further understanding of the scattering-free non-linear petahertz current, we may be able to make computers with an operation speed of petahertz which is million times faster than the present ones of gigahertz. This phenomenon can be used also as a tool to elucidate the microscopic mechanism of superconducting states, because it is sensitive to the superconducting fluctuation.

Study Researchers

文章來源:

Kawakami, Y., et al. (2020) Petahertz non-linear current in a centrosymmetric organic superconductor. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-020-17776-3.

參考資料：Imaging cells and extracellular matrix in vivo by using second-harmonic generation and two-photon excited fluorescence，

Aikaterini Zoumi, Alvin Yeh, and Bruce J. Tromberg，PNAS August 20, 2002 99 (17) 11014-11019; https://doi.org/10.1073/pnas.172368799，

AZoOptics

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