超伝導体中の“ヒッグス粒子”の性質を解明
― マクロな量子状態を光で制御する新たな可能性を拓く―
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超伝導体中の“ヒッグス粒子”の性質を解明
― マクロな量子状態を光で制御する新たな可能性を拓く―
図１ 超伝導体における対称性の自発的破れ。複素量である超伝導秩序パラメータの実部と虚部の関数として自由エネルギーを描いたとき、常伝導状態では、（a）のように原点に底があり、系は、秩序パラメータがゼロという対称性の高い状態にいる。超伝導状態では、（b）のようにワインボトルの底のような形をとり、最もエネルギーの低い状態では秩序パラメータがゼロではない値を持つ。超伝導転移が起きると、原点からどこに向かって落ちても良いが、どこか一点に落ちて、対称性が低下する（「対称性の自発的破れ」）。相転移によって対称性が破れると、それを回復しようとして系に揺らぎが生じる。その揺らぎの方向は、（b）の 青矢印で示すように、ワインボトルの底に沿って動くモード（位相モード、つまり南部・ゴールドストーン・モード）と、赤矢印で示す壁を駆け上がるモード（振幅モード、つまりヒッグス・モード）の二つがある。
図２ 超伝導NbN薄膜試料に入射したテラヘルツ波電場パルスの時間波形と、このパルス照射中に秩序パラメータが振動していることを示す実験結果。テラヘルツ電場が中心周波数0.6THz（テラヘルツ）で振動しているのに対し、秩序パラメータはヒッグス・モードとの共鳴により、その倍の1.2THzで大きく振動する。
図３ 超伝導NbN薄膜試料を透過したテラヘルツ波パルスの強度のパワースペクトル（周波数依存性）。縦軸の強度は対数で表示。転移温度以上（15.5K、-257.6℃）では周波数0.6THz（テラヘルツ）のパルスがそのまま透過してくるが、転移温度以下（10K、-263.15℃）ではその3倍の周波数（1.8THz）を持つ第三高調波が発生している。
― マクロな量子状態を光で制御する新たな可能性を拓く―
図１ 超伝導体における対称性の自発的破れ。複素量である超伝導秩序パラメータの実部と虚部の関数として自由エネルギーを描いたとき、常伝導状態では、（a）のように原点に底があり、系は、秩序パラメータがゼロという対称性の高い状態にいる。超伝導状態では、（b）のようにワインボトルの底のような形をとり、最もエネルギーの低い状態では秩序パラメータがゼロではない値を持つ。超伝導転移が起きると、原点からどこに向かって落ちても良いが、どこか一点に落ちて、対称性が低下する（「対称性の自発的破れ」）。相転移によって対称性が破れると、それを回復しようとして系に揺らぎが生じる。その揺らぎの方向は、（b）の 青矢印で示すように、ワインボトルの底に沿って動くモード（位相モード、つまり南部・ゴールドストーン・モード）と、赤矢印で示す壁を駆け上がるモード（振幅モード、つまりヒッグス・モード）の二つがある。
図２ 超伝導NbN薄膜試料に入射したテラヘルツ波電場パルスの時間波形と、このパルス照射中に秩序パラメータが振動していることを示す実験結果。テラヘルツ電場が中心周波数0.6THz（テラヘルツ）で振動しているのに対し、秩序パラメータはヒッグス・モードとの共鳴により、その倍の1.2THzで大きく振動する。
図３ 超伝導NbN薄膜試料を透過したテラヘルツ波パルスの強度のパワースペクトル（周波数依存性）。縦軸の強度は対数で表示。転移温度以上（15.5K、-257.6℃）では周波数0.6THz（テラヘルツ）のパルスがそのまま透過してくるが、転移温度以下（10K、-263.15℃）ではその3倍の周波数（1.8THz）を持つ第三高調波が発生している。