非平衡超伝導のテラヘルツ科学：光誘起ダイナミクスと秩序パラメータ制御
はじめに：超伝導体の非平衡ダイナミクスへの挑戦
超伝導は、電気抵抗ゼロやマイスナー効果といった巨視的な量子現象を示す魅力的な状態です。その基礎となるクーパーペアの形成や秩序パラメータの物理は、長年にわたり精力的に研究されてきました。伝統的な超伝導研究は、主に熱平衡状態や準平衡状態での物性解明に焦点を当ててきましたが、近年、極めて短い時間スケールでの非平衡ダイナミクスを理解し、積極的に制御することへの関心が高まっています。
特に、テラヘルツ（THz）帯の電磁波を用いた研究は、超伝導体の非平衡ダイナミクスをプローブし、さらには操作する強力なツールとして注目されています。THz光は、超伝導ギャップエネルギーに匹敵するエネルギー（数meV程度）を持つため、超伝導状態に効率的に作用することができます。これにより、超伝導秩序の破壊、準粒子の生成、特定の集団励起（例：ヒッグスモード、コヒーレントフォノン）の励起などが、超高速で行われます。本記事では、THz光科学が非平衡超伝導研究にもたらす新しい知見、特に秩序パラメータの動的な制御や、それを通じて明らかになる超伝導状態の隠された物理について深掘りします。
テラヘルツ光パルスによる超伝導励起メカニズム
THz光パルスを超伝導体に照射すると、主に以下の二つの経路でエネルギーが注入され、非平衡状態が誘起されます。
- 準粒子生成（ペア破壊）： THz光子のエネルギーがクーパーペアの結合エネルギー（おおよそ$2\Delta$）を超える場合、クーパーペアが破壊され、二つの準粒子が生成されます。この過程は、特に光子のエネルギーが$2\Delta$近傍またはそれ以上である場合に効率的です。生成された準粒子はフェルミ分布から外れた非平衡状態を形成し、超伝導秩序パラメータ（超伝導ギャップ）を抑制する効果を持ちます。
- 集団励起の駆動： THz電場は、超伝導体中に存在する様々な集団励起と相互作用します。特に重要なのは、超伝導秩序パラメータの振幅モードであるヒッグスモードです。THz電場の二乗（光強度に比例）は、スカラーポテンシャルとして振る舞い、ヒッグスモードをパラメトリックに駆動することができます。また、特定の光学フォノンモードがTHz帯に存在する場合、共鳴的な励起も起こり得ます。これらの集団励起は、そのダイナミクスを通じて超伝導状態に影響を及ぼします。
これらの励起過程は、光パルスの時間幅よりもはるかに短い時間スケール（通常、数ps以下）で進行し、その後の非平衡準粒子の緩和や集団励起の減衰によって、系は平衡状態へと戻っていきます。
超伝導秩序パラメータの超高速ダイナミクス
THz光パルスによる励起後の超伝導状態の変化は、様々な超高速分光法によって追跡されます。最も一般的な手法の一つは、時間分解THz分光法です。励起パルス（ポンプ光）と時間遅延されたプローブ光（THzパルス）を用いて、励起後の物質の複素伝導度や誘電関数の変化を測定します。これにより、超伝導ギャップのダイナミクス、準粒子の緩和時間、集団励起の減衰時間などが直接的に観測されます。
非平衡状態における超伝導ギャップの回復過程は、準粒子がエネルギーを失い、再びペアを形成する過程を反映しています。この回復時間は、材料の種類や準粒子緩和機構（例：フォノン放出、準粒子間相互作用）に強く依存します。時間分解測定は、これらの微視的な過程を解明する上で極めて有効です。
テラヘルツ光による超伝導秩序のコヒーレント制御
THz科学の近年最大のブレークスルーの一つは、THz光パルスを用いて超伝導秩序パラメータをコヒーレントに操作する可能性が示されたことです。特に、超伝導体におけるヒッグスモードのコヒーレント励起は、大きな注目を集めています。
BCS理論において、超伝導秩序パラメータは複素数 $\Delta = |\Delta| e^{i\phi}$ で記述されます。振幅 $| \Delta |$ の揺らぎがヒッグスモードに対応し、位相 $\phi$ のダイナミクスが通常モード（アンダーソン・ヒッグス機構により、ゲージ不変性を維持するために質量を持つフォトンによって吸収される）に対応します。THz光の電場やその二乗を用いることで、これらのモードを直接励起することが可能です。
ポンプ-プローブ実験において、強いTHzパルスを照射すると、超伝導ギャップが瞬時に抑制された後、特定の振動的な応答が現れることがあります。この振動成分の周波数や減衰時間は、物質の超伝導状態や集団励起の性質を反映しており、ヒッグスモードやコヒーレントフォノンの励起を示唆しています。特に、超伝導ギャップの変調として観測されるヒッグスモードは、その位相が励起THzパルスとコヒーレントに関連していることから、超伝導秩序パラメータの振幅を光で制御していると解釈されています。
これは、外部刺激によって超伝導状態の巨視的な波動関数を直接操作するという点で、極めて基礎科学的に重要であると同時に、超高速の機能性デバイス応用（例：THz周波数での超伝導スイッチング）の可能性を示唆しています。
テラヘルツ科学が拓く非従来型超伝導研究
THz科学的手法は、銅酸化物高温超伝導体、鉄系超伝導体、トポロジカル超伝導体など、様々な非従来型超伝導体の研究にも適用されています。これらの物質では、超伝導状態が他の電子秩序（例：電荷密度波、スピン密度波）や強い電子相関と競合・共存していることが多く、THz励起後の非平衡ダイナミクスは、これらの秩序間の相互作用や、超伝導ペアリング機構そのものに関する重要な情報を提供します。
例えば、高温超伝導体における擬ギャップ状態と超伝導状態の間の関係を、THz励起後の超高速ダイナミクスから探る研究が進められています。また、トポロジカル超伝導体におけるマヨラナ粒子探索の文脈では、エッジ状態における準粒子ダイナミクスや、超伝導近接効果によって誘起される非平衡現象をTHz領域で調べる試みが行われています。非中心対称超伝導体におけるスピン自由度と超伝導の結合も、THz科学によって新しい側面が明らかになる可能性があります。
課題と展望
THz光を用いた超伝導ダイナミクス研究は急速に進展していますが、依然として多くの課題が存在します。
- 理論計算との連携： 実験で観測される複雑な非平衡ダイナミクスを、非平衡多体理論や第一原理計算に基づき定量的に理解する必要があります。特に、強いTHz電場下での非線形応答や、複数の励起モード間のカップリングを正確に記述する理論モデルの構築が重要です。
- 光源と検出技術の進歩： より高強度で、広帯域かつ波形制御可能なTHz光源や、高感度・高時間分解能な検出技術の開発は、新しい非平衡現象の発見や精密な制御に不可欠です。
- 材料開発との連携： THz光応答が特徴的な新しい超伝導材料やヘテロ構造の設計・合成が求められます。特に、特定の集団励起周波数をTHz帯に持つ材料や、強い非線形光学応答を示す材料は興味深い研究対象となります。
- 新しい測定手法： THzポンプ-THzプローブ以外の、THz励起と他のプローブ手法（例：時間分解X線回折、時間分解走査型トンネル顕微鏡/分光、光電子分光）を組み合わせることで、より多角的に非平衡超伝導状態を理解することが可能になります。
これらの課題を克服することで、THz科学は超伝導体の非平衡物理をさらに深く理解し、究極的には超高速・低損失な超伝導電子デバイスや、新しい量子情報処理への道を開く可能性があります。例えば、THz領域での超伝導スイッチング素子は、従来の半導体デバイスの速度限界を超える可能性を秘めています。また、THz光による超伝導秩序のコヒーレント制御は、量子計算や量子シミュレーションにおける超伝導量子ビットの新しい操作手法へと繋がるかもしれません。
結論
THz光科学は、超伝導体の平衡状態では見えなかった超高速な準粒子・集団励起ダイナミクスや、光による秩序パラメータの直接的な制御といった新しい物理現象を明らかにしてきました。特に、THz励起による非平衡超伝導秩序のコヒーレント制御は、基礎科学的に深い洞察を与えるだけでなく、将来的な超高速・量子デバイスへの応用可能性を示唆しています。この分野の研究は、高性能なTHz光源や検出器、理論計算の進歩とともに今後さらに加速し、超伝導体の隠された物理や、その機能性を最大限に引き出す新しい技術を創出することが期待されます。