Ojeda Collado, Héctor P. (2020) Dinámica no lineal de superconductores fuera de equilibrio / Nonlinear dynamics of driven superconductors. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En los últimos años, ha habido un creciente interés en la posibilidad de manipular el estado superconductor fuera del equilibrio. Dentro del formalismo de BCS, la mayoría de los trabajos teóricos han estudiado el problema de un cambio súbito en la interacción atractiva, suponiendo que el sistema se encuentra perfectamente aislado. El resultado más importante es la existencia de tres fases dinámicas diferentes, que corresponden respectivamente con una amortiguación, un sobreamortiguamiento u oscilaciones persistentes del parámetro de orden superconductor. Sin embargo, para describir correctamente sistemas reales de materia condensada y átomos fríos, es necesario tener en cuenta los efectos de disipación que aparecen debido a la presencia inevitable del medio ambiente: un desafío teórico que no ha sido resuelto hasta el momento para superconductores fuera de equilibrio y que hemos abordado en esta tesis. En este caso, sin importar cuán grande sea el cambio en la interacción atractiva, el parámetro de orden superconductor tiende al parámetro de orden de equilibrio que corresponde a la nueva interacción atractiva, en un tiempo característico que depende del acoplamiento con el baño externo (el baño externo absorbe toda la energía extra y permite al sistema alcanzar su estado fundamental a tiempos largos). Hemos demostrado que el proceso de termalización podría ocurrir en una escala de tiempo tal que la fase sincrónica (oscilaciones persistentes) y la fase de oscilaciones amortiguadas del parámetro de orden, difícilmente puedan ser distinguidas en los experimentos. En la segunda parte de la tesis, estudiamos la dinámica fuera de equilibrio de un superconductor BCS en presencia de una perturbación periódica de alta frecuencia y un baño externo, en equilibrio, que agrega disipación al problema. Para tiempos cortos comparados con el tiempo de relajación de energía, un conjunto de excitaciones de cuasipartículas entra en resonancia y realiza oscilaciones de Rabi sincrónicas con una frecuencia que depende de la amplitud de la perturbación periódica. Como consecuencia, aparece un nuevo modo colectivo (modo Rabi-Higgs) en la dinámica transitoria del parámetro de orden superconductor. A tiempos largos, en el estado estacionario, este modo se desvanece y se produce una saturación en el desbalance de la población de cuasipartículas, análogo a lo que sucede en problemas de óp tica cuántica. Finalmente, se discute la viabilidad de dos técnicas experimentales basadas en fotoemisión y microscopía de efecto túnel para detectar oscilaciones de Rabi-Higgs. Aún en presencia de disipación debida al acoplamiento con el baño, se demuestra cómo ambas espectroscopías son apropiadas para la futura detección experimental de estas no linealidades.
Resumen en inglés
In the last few years, there has been a growing interest in the possibility to manipulate the superconducting state far from equilibrium. Within the BCS formalism, most of the theoretical works have studied the problem of a sudden change in the attractive interaction parameter by considering a perfect isolated system. The main finding is the existence of three different dynamical phases corresponding to damping, overdamping and persistent oscillations of the superconducting order parameter. However, to correctly describe real condensed matter systems and cold atoms, it is necessary to introduce dissipation effects due to the ubiquitous presence of environment: a theoretical challenge that remains unsolved so far which has been addressed in this thesis. In this case, no matter how strong the quench in the pairing interaction is, the order parameter reaches the equilibrium order parameter that corresponds with the new attractive interaction in a characteristic time which depends on the coupling to an external bath (the external bath absorbs the extra energy allowing the system to reach the ground state). We have demonstrated that the thermalization processes could take place on a time scale such that the synchronic phase (persistent oscillations) and the damping phase could hardly be distinguished in experiments. In the second part of this thesis, we have studied the out-of-equilibrium dynamics of a BCS superconductor in the presence of a high-frequency periodic drive and an external bath, at equilibrium, providing dissipation. For short times compared with the energy relaxation time, a set of quasiparticle excitations enters into resonance and performs synchronous Rabi oscillations with a frequency that depends on the amplitude of the drive. As a consequence, a new collective mode (Rabi-Higgs mode) appears in the transient superconducting gap dynamic. At long-times, in the steady-state, this mode vanishes and saturation of the population imbalance takes place in the system, analogous to what happens in quantum optics problems. Finally, we discuss the feasibility of two experimental techniques based on photoemission and scanning tunneling microscopy to detect Rabi-Higgs oscillations. Even in the presence of dissipation due to the coupling with the bath, we demonstrate that both spectroscopies are well suited for the future experimental detection of these nonlinearities.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Superconductors; Superconductores; [Nonequilibrium superconductivity; Superconductividad fuera de equilibrio; Dissipative dynamics; Dinámica en presencia de disipación] |
| Materias: | Física > Materia condensada |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Materia condensada > Teoría de sólidos |
| Código ID: | 981 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 23 Sep 2021 15:24 |
| Última Modificación: | 23 Sep 2021 15:24 |
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