dc.contributor.author
Bittner, Nikolaj
dc.date.accessioned
2018-06-08T01:21:56Z
dc.date.available
2017-02-24T10:03:03.247Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/13289
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-17487
dc.description.abstract
This thesis reports on theoretical investigations of the ultrafast
nonequilibrium dynamics in superconductors. In particular, two nonequilibrium
scenarios are modeled by combining several analytical and numerical methods:
transient superconducting phase transition and collective excitations of a
superconducting condensate. In the first part of the thesis the possibility to
induce singlet superconducting correlations far from equilibrium is explored
by applying time-dependent Lanczos algorithm to the one-dimensional extended
Hubbard model. Here, the system is driven into a nonequilibrium state by (i)
interaction quench and (ii) quench by pulse. In both cases the buildup of the
superconducting correlations is studied in view of several correlation
functions. Moreover, a transient Meissner effect, which reflects fingerprints
of the induced superconductivity, is observed in calculations of the important
for experiments time-dependent optical conductivity. In addition, the
differences between nonequilibrium dynamics of the extended Hubbard model
initiated by interaction quench and by pulse quench are discussed in detail.
The second part is devoted to the excitation of collective modes in a
superconductor out of equilibrium. First of all, focus is given to the
properties of collective modes close to equilibrium conditions, where a
linearized response can be expected. Within the framework of the (Nambu-)
matrix kinetic theory in the clean limit a comprehensive gauge-invariant
description of the collective modes associated with phase fluctuations of the
order parameter is analytically formulated for the generalized case of two-
band superconducting systems. Particular emphasis is on the application to the
recently discovered noncentrosymmetric superconductors. A detailed analysis of
the collective modes includes specification of the gauge mode (common to all
superconductors) and the Leggett mode (collective fluctuations of the
interband phase difference), and investigation of their subtle interplay in
view of validity of the charge conservation law and the participation in the
Anderson-Higgs mechanism. Further, the nonequilibrium excitation of the
superconducting gaps for the case of two-band superconductors with singlet
pairing correlations is investigated in a view of optical pump-probe
experiments. For this purpose a semi-numerical method based on the density-
matrix theory is formulated. In this case additional amplitude (Higgs) modes
were identified, which allow to directly detect the properties of the
superconducting condensates as a function of time. Moreover, a new interplay
between the phase (Leggett) and amplitude (Higgs) modes is studied in detail.
In particular it was found that the nonadiabatic excitation process leads to
strong coupling between both modes. Finally, based on calculations of the
time-dependent optical conductivity the prediction is made that the coupled
Higgs and Leggett modes can be clearly visible in the pump-probe absorption
spectra.
de
dc.description.abstract
In der vorliegenden Arbeit werden Resultate zu theoretischen Untersuchungen
der ultraschnellen Nichtgleichgewichtsdynamik in Supraleitern vorgestellt.
Insbesondere werden zwei Nichgleichgewichtssituationen mit Hilfe von
verschiedenen analytischen und numerischen Methoden simuliert: ein transienter
Phasenübergang in einen supraleitenden Zustand und kollektive Anregungen eines
supraleitenden Kondensats. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Möglichkeit
der Entstehung supraleitender Spin-Singulett-Korrelationen in einem
eindimensionalen erweiterten Hubbard-Modell weit vom Gleichgewicht unter
Verwendung eines zeitabhängigen Lanczos-Algorithmus erforscht. Das System wird
dabei mit Hilfe (i) eines Wechselwirkungs-Quenches und (ii) eines starken
Pulses in einen Nichtgleichgewichtszustand gebracht. In beiden Fällen wird die
Entstehung supraleitender Korrelationen im Hinblick auf verschiedene
Korrelationsfunktionen untersucht. Außerdem wird eine für Experimente wichtige
zeitabhängige optische Leitfähigkeit berechnet, bei der ein transienter
Meissner-Effekt als Charakteristikum eines induzierten supraleitenden
Zustandes beobachtet werden kann. Anschließend wird der Unterschied in den
Nichtgleichgewichtsdynamiken eines erweiterten Hubbard-Modells hervorgerufen
vom Wechselwirkungs-Quench und vom starken Puls im Detail diskutiert. Der
zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Anregungen kollektiver
Moden in Supraleitern weit weg vom Gleichgewicht. Zunächst werden die
Eigenschaften kollektiver Moden im Fall der linearen Antwort eines
Supraleiters unter den Bedingungen untersucht, die dem Gleichgewicht
nahekommen. Dabei wird eine umfassende eichungsinvariante Beschreibung der
Phasenfluktuationen des Ordnungsparameters und der damit assoziierten
kollektiven Moden für den allgemeinen Fall der Zweiband-Supraleiter unter
Verwendung der Nambu-Matrix-Kinetischen Theorie im reinen Grenzfall analytisch
formuliert. Insbesondere wird die Anwendung auf die nicht-zentrosymmetrischen
Supraleiter diskutiert. Es folgt dann eine detaillierte Analyse dieser
kollektiven Moden, die eine Beschreibung der Eichmode (tritt in allen
Supraleitern auf) und der Leggett Mode (kollektive Fluktuation in der
Interbandphasendifferenz) und auch Untersuchungen des subtilen Zusammenspiels
beider Moden im Hinblick auf die Teilchenzahlerhaltung und den Anderson-Higgs-
Mechanismus beinhaltet. In Bezug auf optische pump-probe Experimente werden
anschließend die Nichtgleichgewichtsanregungen von supraleitenden
Energielücken im Fall der Zweiband-Supraleiter mit Spin-Singulett-Paarung
untersucht. Für diesen Zweck wird eine halbnumerische Methode basierend auf
der Dichtematrixtheorie formuliert. In diesem Fall können zusätzliche
Amplitudenmoden (Higgs) identifiziert werden, die ermöglichen die
Eigenschaften supraleitender Kondensate als Funktion der Zeit zu messen.
Außerdem wird ein neues Zusammenspiel zwischen der Phasen-(Leggett-) und der
Amplitudenmoden (Higgs) im Detail analysiert. Insbesondere wird gezeigt, dass
ein nichtadiabatischer Anregungsprozess zu einer starken Kopplung beider Moden
führt. Schließlich wird anhand der zeitaufgelösten Berechnungen der optischen
Leitfähigkeit vorausgesagt, dass die gekoppelten Higgs- und Leggett-Moden in
optischen pump-probe Spektren klar zu beobachten sind.
de
dc.format.extent
xiv, 136 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Superconductivity
dc.subject
time-resolved simulations
dc.subject
nonequilibrium dynamics
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::539 Moderne Physik
dc.title
Novel Non–Equilibrium Dynamics in Superconductors: Induced Superconductivity
and Higgs Modes
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Dirk Manske
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Felix von Oppen, PhD
dc.date.accepted
2016-11-02
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000104072-8
dc.title.translated
Neuartige Nichtgleichgewichtsdynamik in Supraleitern: Induzierte Supraleitung
und Higgs-Moden
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000104072
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000020925
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access