Резонансное взаимодействие движущихся джозефсоновских вихрей и собственных мод массивов распределенных контактов

Чигинев, Александр Валерьевич

Резонансное взаимодействие движущихся джозефсоновских вихрей и собственных мод массивов распределенных контактов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Чигинев, Александр Валерьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Резонансное взаимодействие движущихся джозефсоновских вихрей и собственных мод массивов распределенных контактов»

Автореферат диссертации на тему "Резонансное взаимодействие движущихся джозефсоновских вихрей и собственных мод массивов распределенных контактов"

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МИКРОСТРУКТУР РАН

На правах рукописи

4000'*"-

Чигинев Александр Валерьевич

Резонансное взаимодействие движущихся джозефсоновских вихрей и собственных мод массивов распределенных контактов

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

О 3 ОЕЗ 2011

Нижний Новгород - 2011

4853782

Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН, Н.Новгород.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Курин Владислав Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Демиховский Валерий Яковлевич Нижегородский Государственный Университет им. Н.И. Лобачевского

доктор физико-математических наук Жаров Александр Александрович Институт физики микроструктур РАН, Н.Новгород

Ведущая организация: Московский Педагогический

Государственный Университет

Защита состоится 27 января 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 при Институте физики микроструктур РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-105)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН

Автореферат разослан 27 декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, щюфГ

К. П. Гайкович

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Эффект Джозефсона [1, 2] представляет собой туннельный эффект в сверхпроводниках, заключающийся в формировании когерентного состояния сверхпроводящих электронов, находящихся по обе стороны потенциального барьера. Проявлением данного эффекта является протекание сверхпроводящего тока через два сверхпроводника, разделенных тонкой диэлектрической прослойкой. Его основными особенностями являются малые характерные времена, ограниченные величиной энергетической щели в сверхпроводниках, и высокая чувствительность к внешним электромагнитным полям. Устойчивый интерес к эффекту Джозефсона связан с его применением в генераторах электромагнитного излучения, в устройствах для измерения слабых магнитных полей, в элементах стандарта напряжения, в элементах логических схем. Обсуждается возможность применения эффекта Джозефсона в логических элементах устройств квантовой обработки информации.

Джозефсоновский контакт представляет собой структуру, состоящую из двух сверхпроводящих обкладок, разделенных диэлектрической прослойкой. Если хотя бы один из размеров такой структуры в плоскости прослойки является достаточно большим, то такую структуру называют распределенным, или длинным джозефсоновским контактом. Динамика распределенных контактов является существенно более сложной по сравнению с динамикой точечных контактов из-за появления пространственно-неоднородных решений. Многообразие решений, возникающих в распределенных джозефсоновских системах, может быть описано на языке взаимодействия линейных волн и джозефсоновских вихрей, поэтому изучение особенностей такого взаимодействия является актуальным с фундаментальной точки зрения. Кроме того, исследование взаимодействия вихрей и линейных волн важно для практических применений в связи с возможностью создания генераторов и усилителей на основе распределенных джозефсоновских переходов.

Динамика джозефсоновских вихрей и линейных волн является сложной и разнообразной в случае, когда распределенные джозефсоновские контакты объединены в многослойные структуры и способны взаимодействовать между собой. Существующая к настоящему моменту технология позволяет изготавливать такие структуры с высоким качеством и небольшим. разбросом параметров. Кроме того, интерес к динамике джозефсоновских вихрей в многослойных структурах в значительной мере связан с тем, что некоторые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с сильной анизотропией обладают внутренним эффектом Джозефсона, и являются в этом смысле естественными джозефсоновскими сверхрешетками.

Многослойные джозефсоновские структуры могут служить основой для

построения генераторов электромагнитного излучения, верхний предел по частоте которых ограничен величиной энергетической щели в сверхпроводниках и составляет величину порядка 1 ТГц для искусственных структур на основе ниобия и порядка 10 ТГц для слоистых ВТСП. Для обеспечения эффективной генерации электромагнитных волн из слоистых структур необходима синхронизация отдельных контактов системы, и в этой связи актуальной является проблема устойчивости движущихся решеток джозефсоновских вихрей в многослойных сверхпроводящих структурах.

В последнее время наблюдается возрождение интереса к исследованию динамики джозефсоновских вихревых решеток в слоистых сверхпроводниках, связанное с недавним обнаружением генерации электромагнитных волн с частотой около 1 ТГц из структуры на основе В125г2СаСи208+:1: [3]. Несмотря на значительные усилия теоретиков, механизм данного излучения остается непонятным. Возможной причиной этого является несовершенство моделей, традиционно используемых для описания джозефсоновской динамики слоистых сверхпроводников. Поэтому развитие теории, описывающей динамику джозефсоновских вихрей в слоистых ВТСП, является актуальной задачей.

Настоящая диссертация посвящена исследованию эффектов взаимодействия движущихся джозефсоновских вихрей и линейных мод систем, основанных на распределенных переходах Джозефсона. В работе изучается возбуждение одиночными вихрями и вихревыми решетками линейных волн со сложной дисперсией, которая возникает как из-за наличия внешних электродинамических систем, так и из-за сложной кристаллической структуры исследуемых материалов. При рассмотрении этих задач используются простые представления для сверхпроводящего тока и тока квазичастиц, и основное внимание обращается электромагнитное взаимодействие вихрей и линейных мод.

Цель диссертационной работы

— исследование влияния внешних электродинамических систем на динамику вихрей в длинных джозефсоновских контактах и джозефсоновских сверхрешетках;

— развитие теории, описывающей взаимодействие линейных волн и джозефсоновских вихрей в слоистых высокотемпературных сверхпроводниках;

— изучение влияния внутренних резонансов на динамику решеток джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках.

Научная новизна

Проведено исследование черенковского излучения джозефсоновского вихря в длинном контакте, связанном с полосковой линией, без предположения о малости величины связи контакта и полосковой линии. Отсутствие малости данной связи приводит к изменению формы джозефсоновского вихря в контакте, которое было учтено в работе.

Впервые исследована устойчивость джозефсоновской вихревой решетки в слоистой структуре, связанной с пассивной областью, с учетом индуктивной связи между слоями. Это расширяет применимость результатов главы также на случай слоистых ВТСП, в которых величина индуктивной связи велика и является неизменяемой характеристикой материала.

Впервые построена модель гидродинамического типа, на равных основаниях описывающая взаимодействие различных типов линейных волн в слоистых ВТСП с джозефсоновскими вихрями. Использован оригинальный подход к построению модели, позволивший учесть пространственную дисперсию электронов, и сохранить симметрию исходных уравнений в окончательной формулировке модели.

Впервые в численном эксперименте продемонстрировано возбуждение фононных и гибридных мод движущейся решеткой джозсфсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках.

Практическая значимость

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для построения генераторов электромагнитного излучения терагерцового диапазона на основе слоистых сверхпроводников, для повышения мощности и улучшения спектральных характеристик существующих генераторов на основе распределенных джозефсоновских структур, а также для развития методов джозефсоновской спектроскопии сверхпроводящих высокотемпературных соединений.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Распределенный джозефсоновский контакт, электродинамически связанный с полосковой линией, описывается нелокальным во времени и пространстве уравнением типа синус-Гордона. Наличие полосковой линии, электродинамически связанной с распределенным джозефсоновским переходом, приводит к такому изменению дисперсионной характеристики линейных волн в системе, что становится выполнимым условно черенковского синхронизма между движущимся вихрем и линейной волной. В результате при определенных скоростях вихря возникает черенковское излучение линейных волн вихрем, проявляющееся в появлении ступенек на вольт-амперной характеристике длинного контакта с полосковой линией.

2. Наличие замедляющей системы, электродинамически связанной с многослойным распределенным джозефсоновским переходом, приводит к устойчивости и спонтанному установлению синфазного режима движения решетки джозефсоновских вихрей в определенном диапазоне скоростей вихревой решетки. При этом диапазон скоростей решетки, при которых достигается ее устойчивость, зависит от степени замедления электромагнитной волны замедляющей системой.

3. Взаимодействие движущейся решетки джозефсоновских вихрей и собственных мод слоистого сверхпроводника может быть описано в рамках предложенной единой модели гидродинамического типа. Влияние нормальных электронов и дополнительных степеней свободы, таких как фононы, учитывается в данной модели с помощью соответствующих выражений для диэлектрических восприимчивостей. Линейные моды возбуждаются движущейся вихревой решеткой, что приводит к появлению ступеней на ВАХ слоистых сверхпроводников с движущейся решеткой джозефсоновских вихрей.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на 2-й международной конференции по сверхпроводящей электронике, Осака, Япония, 2001; на международной конференции по физике и применениям внутреннего эффекта Джо-зефсона, Поммерсфельден, Германия, 2002; на XII научной школе «Нелинейные волны - 2004», Нижний Новгород, Россия, 2004; на 2-й международной конференции "Frontiers of Nonlinear Physics", Нижний Новгород - Санкт-Петербург, Россия, 2004; на XIII научной школе «Нелинейные волны - 2006», Нижний Новгород, Россия, 2006; на X ежегодном симпозиуме «Нанофизика и паноэлектроника», Нижний Новгород, 2006; на 5-м международном симпозиуме по внутреннему эффекту Джозефсона в высокотемпературных сверхпроводниках, Лондон, Великобритания, 2006; на 2-й международной конференции «Фундаментальные проблемы сверхпроводимости ФПС-06», Звенигород, Россия, 2006; на международной конференции по теоретической физике "Dubna-Nano 2008", Дубна, Россия, 2008; на XIII ежегодном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2009.

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы отражено в пяти статьях в реферируемых научных журналах [А1-А5] и трудах научных конференций [А6-А18].

Личный вклад автора

— равнозначный (совместно с научным руководителем В.В. Куриным, N. Flytzanis, N. Lazarides, J.-G. Caputo) в вывод интегро-дифференциального уравнения, описывающего динамику распределенного джозефсоновского перехода, связанного с полосковой линией, исследование дисперсионных характеристик исследуемой системы, разработку схемы численного моделирования

[All;

— равнозначный (совместно с научным руководителем В.В. Куриным) в вывод модели, описывающей динамику многослойного джозефсоновского перехода, связанного с внешней волноведущей системой, исследование устойчивости синфазного режима в исследуемой структуре, разработку схемы численного моделирования, и интерпретацию результатов численного эксперимента по расчету вольт-амперной характеристики исследуемой системы [А2,

АЗ, А6-А10];

— определяющий в написание компьютерной программы для численного моделирования динамики решеток джозефсоновских вихрей в многослойном распределенном переходе Джозефсона, соединенном с внешней полосковой линией, и проведение с ее помощью численных расчетов вольт-амперной характеристики исследуемой системы [АЗ, А9, АЮ|;

— равнозначный (совместно с научным руководителем В.В. Куриным) в вывод модели гидродинамического типа, описывающей совместную динамику джозефсоновских вихрей и линейных мод различной природы в слоистых высокотемпературных сверхпроводниках, анализ дисперсионных характеристик исследуемой системы, разработку схемы численного моделирования, и интерпретацию результатов проведенных численных расчетов [А4, А5, А11-А18];

— определяющий в написание компьютерной программы для численного моделирования совместной динамики решеток джозефсоновских вихрей и линейных волн в слоистых сверхпроводниках, и проведение на основе выведенной модели численных расчетов вольт-амперных характеристик слоистого сверхпроводника с движущейся решеткой джозефсоновских вихрей [А16-А18].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций автора по теме диссертации, и списка цитированной литературы.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые па защиту научные положения. Рассмотрены основные уравнения, описывающие эффект Джозефсона, и их важнейшие решения, и введены ключевые определения, использующиеся при описании джозефсоновских структур.

В первой главе исследуется динамика джозефсоновского вихря в длинном джозефсоновском переходе, электродинамически связанном с латеральной полосковой линией (рис. 1). В качестве основы для описания данной структуры используется система, состоящая из двумерного уравнения синус-Гордона, описывающего джозефсоновский контакт, и двумерного волнового уравнения, описывающего динамику полосковой линии. Данные уравнения дополнены граничными условиями, следующими из непрерывности токов и напряжений на границах контакта и полосковой линии.

С помощью решения линейного волнового уравнения, описывающего по-лосковую линию, и с учетом малой ширины джозефсоновского перехода, исходная система двумерных уравнений преобразована к одномерному интегро-

сверхпроводящие

Рис. 1. Схематическое изображение распределенного джозефсоновского контакта, встроенного в полосковую линию.

дифференциальному уравнению вида

D(uj, к)вКш + [sin в(х, t)}k u = jkM. (1)

где линейный оператор записывается следующим образом

2 к

D(lü, к) = к2 - J- + —tanh(mu'). (2)

avu

Здесь 9(x,t) — джозефсоновская разность фаз, w — ширина джозефсоновского контакта, w' — ширина полосковой линии.

Путем разложения линейного оператора Z?(w, к) в бесконечное произведение и учету двух сомножителей данного произведения, интегро-дифференциальное уравнение (1) преобразовывается в квазистатическом приближении к эволюционному уравнению, используемому далее для численного моделирования исследуемой системы.

Исследованы дисперсионные характеристики линейных волн в распределенном джозефсоновском переходе, связанном с внешней полосковой линией. Исходя из условия черенковского синхронизма ш(кг) = кги и условия резонансного возбуждения моды в кольцевом резонаторе кг = кт = 2тг т/1 получено неявное выражение для скоростей джозефсоновского вихря, при которых будут возникать черенковские ступени на В АХ структуры. В явном виде резонансные скорости могут быть записаны в пределе большой скорости электромагнитной волны в полосковой линии:

uim , Orí \ /2-7Гт\2 Ажт , [2-кт Д , . U™ = t> 2(U = !+(—) (3)

Проведено численное моделирование динамики джозефсоновского вихря в распределенном джозефсоновском переходе, связанном с полосковой линией. Пример профиля джозефсоновского вихря с черенковским излучением

Рис. 2. Профиль джозефсоновского вихря с черенковским излучением.

показан на рис. 2. Видно, что вихрь имеет осциллирующий «хвост», появление которого связано с черенковским излучением.

Рис. 3. Типичный вид вольт-амперных кривых распределенного джозефсоновского пере-j хода, связанного с нолосковой линией. Видны черепковские ступени и гистерезис одной из резонансных кривых.

Как и было предсказано путем анализа дисперсионных характеристик, | на ВАХ структуры имеются ступени. Их положение находится в хорошем со- ответствии с выражением (3) для резонансных скоростей вихря. В работе исследованы зависимости ступеней на ВАХ от различных параметров системы, [ таких как скорость электромагнитной волны в полосковой линии, парамст-| ра затухания, отношения толщин джозефсоновского контакта и полосковой : линии, и количества вихрей, захваченных в джозсфсоповский переход. Типичный вид ВАХ с черепковскими ступенями показан на рис. 3.

Результаты первой главы опубликованы в статье [Al|.

Во второй главе теоретически исследована устойчивость синфазного I режима движения джозефсоновских вихрей в многослойном распределенном джозефсоновском контакте, электродинамически связанном с замедляющей

системой. Как и в главе 1, в качестве замедляющей системы выбрана по-

Внешняя полосковая линия

Многослойный джозефсоновский переход

Диэлектрическое заполнение

Рис. 4. Схематическое изображение джозефсоповской многослойной структуры, связанной с внешней полосковой линией

лосковая линия с диэлектрическим заполнением (рис. 4). Описание данной структуры построено па основе системы уравнений типа синус-Гордона, описывающих динамику джозефсоновских вихрей в многослойном длинном джо-зефсоновском контакте с учетом индуктивной связи между слоями [4, 5], дополненном «глобальной» связью за счет внешней полосковой линии

Kmn{d¡em + 7эг0т + sin вт - je + G вк) = д%, n=l,...,N, (4)

т—1 к

где Ктп — матрица, описывающая взаимодействие соседних распределенных контактов многослойной структуры за счет проникновения магнитного поля через тонкие сверхпроводящие слои.

С помощью системы уравнений (4) в работе теоретически исследована устойчивость решения, описывающего синфазный режим движения джозефсоновских вихрей в многослойной структуре (рис. 5). Для исследования устойчивости мы искали решение системы (4) в виде 9n(x, t) = Oq(x — ut) +9n(x, t), где во — решение, описывающее синфазный режим, получая при этом систему линеаризованных уравнений для малых возмущений вп

cosflo + ÓJ2^} = d2Jn, n = 1,..., N. (5)

т= 1 k

Поскольку линейная система (5) содержит периодический множитель, ее решение может быть представлено в виде разложения по собственным модам

| | 1 ^е | I I 1

Рис. 5. Синфазный режим движения джозефсоновских вихрей в многослойном распределенном джозефсоновском переходе.

Рис. 6. Возможные варианты поведения дисперсионной характеристики линейных волн возмущений прямоугольной вихревой решетки. Цифрами обозначены варианты поведения дисперсионной кривой, соответствующие: 1 — длинноволновой устойчивости, 2 — длинноволновой неустойчивости, 3 — коротковолновой устойчивости, 4 — коротковолновой неустойчивости.

с определенными квазиимпульсами и квазичастотами, связанными дисперсионной зависимостью. Ввиду малости периодического множителя возмущения, испытываемые спектром из-за брэгговских резонансов, будут особенно заметны вблизи центра и краев зоны Бриллюэна, и могут быть вычислены во втором порядке по малому параметру ц ос Ъг2, где /г — безразмерное внешнее магнитное поле. На рис. 6 показаны возможные варианты расщепления спектра решений системы (5) в центре зоны Бриллюэна и на ее краях. Ход дисперсионной характеристики, обозначенный на рис. 5 цифрой 1, соответствует устойчивости синфазного режима по отношению к длинноволновым возмущениям. Поведение кривой, обозначенное цифрой 2, соответствует неустойчивости по отношению к длинноволновым возмущениям. Цифрой 3 обозначено расщепление дисперсионной кривой, соответствующее устойчивости по отношению к возмущениям с малой длиной волны, и цифрой 4 — ход кривой, соответствующий коротковолновой неустойчивости.

о се V' ы ьтЫ V* и

Рис. 7. Диаграмма устойчивости синфазного режима при VI < итт- Буквами обозначены: а — область длинноволновой неустойчивости, Ь — область абсолютной устойчивости, с — область параметрической неустойчивости, d — область с подавленной параметрической неустойчивостью.

VI > Уп

Г , г >> . V

У\ у'

Рис. 8. Диаграмма устойчивости синфазного режима при > ь'тт. Обозначения различных областей устойчивости как на рис. 7

В результате исследования устойчивости установлено, что синфазный режим движения вихрей является устойчивым при условии, что внешняя электродинамическая система замедляет симметричную линейную моду в структуре настолько, что она становится самой медленной по сравнению с модами другой симметрии. Устойчивость синфазного режима при этом достигается в диапазоне скоростей вихревой решетки, определяемом параметрами системы (рис. 7).

В случае, когда скорость симметричной моды не является наименьшей, область устойчивости прямоугольной вихревой решетки исчезает (рис. 8). Кроме того, показано, что при больших скоростях синфазный режим приобретает устойчивость из-за подавления параметрической неустойчивости за счет затухания.

На основе выведенной системы проведен численный эксперимент, продемонстрировавший спонтанное установление синфазного режима движения вихрей в многослойной структуре с внешней замедляющей системой. Показано, что синфазный режим устанавливается с определенного значения внешнего тока. Продемонстрировано, что данный режим характеризуется большой амплитудой переменного электромагнитного поля, что делает его перспективным для построения генераторов электромагнитного излучения на многослойных распределенных переходах Джозефсона.

Результаты второй главы опубликованы в статьях [А2, АЗ] и трудах конференций (А6-А10].

В третьей главе выведена феноменологическая модель гидродинамического типа, описывающая динамику джозефсоновских вихрей в слоистых ВТСП, и учитывающей на равных основаниях линейные моды разной природы, такие как электромагнитные, плазменные, фононные, и другие моды.

Для вывода искомой системы слоистый сверхпроводник изначально рассматривался как анизотропная плазма. В качестве исходных уравнений использовались уравнения Максвелла, дополненные материальными уравнениями для частиц. Описание динамики сверхпроводящих и нормальных электронов построено на двухжидкостной гидродинамической модели. Учет собственных мод слоистого сверхпроводника проведен на примере фононных мод, при этом уравнения движения ионов записывались в адиабатическом приближении Борпа-Оппенгеймера.

Для перехода от линейной системы уравнений в континуальном пределе к нелинейной системе, описывающей слоистую структуру, была проделана процедура дискретизации с одновременным восстановлением нелинейного члена, описывающего джозефсоновский сверхток. Дискретизация заключалась в замене в системе уравнений пространственных производных вдоль координаты, направленной поперек слоев, конечными разностями. В результате получилась искомая система уравнений.

15 Ф0 д Аж \1Ь 4тг •

cdtExn - ~2^Тх[вп ~ 0п-° + nJxn ~ ~{J»» + + (6)

с dtzn~

= ts^ - ^¿ßn* -Ä.> - ^en+j^n+jin~jext), (7)

Фп а

2itcs dt

= Ezn - lu {~sic{Dxn+l ~ Dxn) + 7*AnDzn) ' (9)

D = £-E, jn,i = ¿ = i + 4nxn+47rxi. (10)

Модель, представленная уравнениями (б), (7), (8), (9), (10), описывает взаимодействие джозефсоновских вихрей с электромагнитными волнами, плазмона-ми, фононами, и др., на равных основаниях. Данная система имеет необходимую симметрию по отношению к перестановке координат х и г, и описывает пространственную дисперсию, вызванную электронными и ионными степенями свободы в системе. Кроме того, данная системы позволяет описывать влияние линейных волн любой природы на динамику джозефсоновских вихрей в слоистом сверхпроводнике, путем включения соответствующих воспри-имчивостей в выражение для диэлектрической проницаемости е. Например, как выяснилось, в недавно открытых сверхпроводниках на основе РеАя [6-8] магнитные степени свободы могут играть важную роль. Предложенный нами подход позволяет включить эти степени свободы в нашу общую схему.

Предложенная нами модель содержит в качестве предельных случаев теории, предложенные ранее для описания джозефсоновской динамики слоистых ВТСП, такие как модель с магнитной связью между слоями [4, 5], с зарядовой связью [9], модель, учитывающая квазичастичный ток вдоль слоев [10], инфракрасные фононы, поляризованные поперек слоев [11,12], и т. д. Результаты работ [13, 14], в которых сделана попытка объединения моделей с магнитной и зарядовой связью, также воспроизводятся в рамках нашей модели. Кроме того, предложенная модель содержит дополнительные члены в уравнениях (8) и (9), содержащие д/дх, и отсутствующие в [13,14]. Хотя эти члены и малы вдали от резонансов, их роль может быть существенной при приближении джозефсоновской частоты к частоте фонона или плазмона.

На основе предложенной модели проведено численное моделирование динамики решетки джозефсоновских вихрей в слоистых ВТСП. Продемонстрировано возбуждение мод Свихарта различной поперечной симметрии движущейся вихревой решеткой, и связанные с ним резонансы на ВАХ системы, перегруппировка вихрей в решетке, и эффект удвоения пространственного периода вихревой решетки. Показано возбуждение фононных и гибридных мод решеткой вихрей, и связанные с ними резонансы на ВАХ. Продемонстрировано, что зарядовая связь, несмотря на свою малость, существенно усложняет динамику решетки джозефсоновских вихрей в слоистых ВТСП, приводя к различию в скоростях движения вихревых цепочек в различных контактах структуры.

Результаты третьей главы опубликованы в статьях [А4, А5[ и трудах конференций [А11-А18].

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Рассмотрена динамика джозефсоновского вихря в распределенном джозефсоновской контакте с пассивной областью. Показано, что наличие пассивной области приводит к тому, что уравнение, описывающее динамику такой системы, является нелокальным во времени и в пространстве. Путем численного эксперимента показано наличие ступеней на ВАХ рассматриваемой системы, обусловленных наличием черепковского излучения движущегося джозефсоновского вихря. Исследованы зависимости положений и амплитуд данных ступеней от параметров системы.

2. Проведено аналитическое исследование устойчивости прямоугольной решетки джозефсоновских вихрей в многослойной структуре из распределенных джозефсоновских контактов, электродинамически связанных с замедляющей системой в виде полосковой линии. Показано, что устойчивость прямоугольной вихревой решетки достигается при условии, что

скорость электромагнитной волны в пассивной области меньше характеристической скорости симметричной свихартовской моды в слоистой структуре.

3. Путем численного эксперимента показано, что при достаточном замедлении электромагнитной волны во внешней полосковой линии происходит спонтанное установление синфазного режима движения джозефсо-новских вихрей в многослойной структуре из длинных контактов. Данный режим характеризуется большой амплитудой переменного электромагнитного поля и может быть использован для генерации электромагнитного излучения.

4. Предложена модель гидродинамического типа, описывающая совместно джозефсоновские вихри и линейные волны любой природы в слоистых сверхпроводниках. Данная модель объединяет описания, предложенные ранее в литературе, и может быть сведена к ним в предельных случаях. Численный расчет, выполненный на основе предложенной модели, продемонстрировал наличие ступеней на ВАХ, связанных с возбуждением волн Свихарта, фононных и гибридных мод решеткой джозефсоиовских вихрей, движущейся под действием внешнего тока в слоистом сверхпроводнике.

Список публикаций автора по теме диссертации

Al. Flytzanis N., Lazarides N., Chiginev A. et al. Dynamics of fluxons in narrow window junctions // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 88. P. 4201.

A2. Chiginev A. V., Kurin V. V. Instability of a rectangular vortex lattice in a stack of two long Josephson junctions // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 66. P. 052510.

A3. Chiginev A. V., Kurin V. V. In-phase vortex flow and superradiance in a Josephson superlattice embedded in a waveguide // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70. P. 214523.

A4. Курин В. В., Чигинев А. В. Взаимодействие оптических фононов и джозефсоиовских вихрей в слоистых сверхпроводниках // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71. С. 16-20.

А5. Chiginev А. V., Kurin V. V. Interaction between optical phonons and Josephson vortices in layered superconductors // Supercond. Sci. Tech. 2007. Vol. 20. P. S34.

А6. Kurin V. V., Chiginev A. V., Shereshevsky I. A. et al. Superradiation in Josephson superlattice coupled in a slow wave system // 8th International Superconductive Electronics Conference, Osaka, Japan, Extended Abstracts. Osaka, Japan: 2001. — June. Pp. 437-438.

A7. Chiginev A. V., Kurin V. V. Vortex motion in multilayer Josephson structure coupled with external waveguide // Abstracts of Euroconference on the Physics and Applications of the Intrinsic Josephson Effect. Pommersfelden, Germany: 2002, —June.

A8. Chiginev A. V., Kurin V. V. Moving vortex lattices in a stack of long Joseph-son junctions connected with a stripline: theory and simulation // 6th EU-CAS book of abstracts (2003). 2003.

A9. Чигипев А. В. Синфазный режим движения джозефсоновских вихрей в многослойной сверхпроводящей структуре, соединенной с полосковой линией // Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» в рамках XII научной школы «Нелинейные волны - 2004». Н. Новгород: 2004.— февраль.

А10. Kurin V. V., Chiginev А. V. Dynamic phase transitions in lattices of Joseph-son vortices moving in layered superconductors // "Frontiers of Nonlinear Physics", Proceedings of the 2nd International Conference. N. Novgorod-St. Petersburg, Russia: 2004. — July.

All. Курин В. В., Чигинев А. В. Динамика джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках // Труды XIII научной школы «Нелинейные волны - 2006». Н. Новгород: 2006. — март.

А12. Курин В. В., Чигинев А. В. Взаимодействие оптических фононов и джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках // Материалы X ежегодного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». Н. Новгород: 2006.-март. С. 73-76.

А13. Kurin V. V., Chiginev А. V. Role of Optical Phonons in Vortex Dynamics in High-Temperature Superconductors with Intrinsic Josephson Effect // Plas-ma-2006: 5-th International Symposium on the Intrinsic Josephson Effect in High-Tc superconductors, Programme and Abstracts. London: 2006. — July. Pp. 15-16.

A14. Курин В. В., Чигинев А. В. Влияние оптических фононов на динамику джозефсоновских вихревых решеток в слоистых сверхпроводниках //

Труды Второй международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС-06». Звенигород: 2006.-октябрь. С. 176-177.

А15. Chiginev А. V., Kurin V. V. Interaction between optical phonons and Josephson vortices in layered superconductors // Abstracts of the Applied Superconductivity Conference "ASC-2006". Seattle: 2006.-August. P. 77.

A16. Kurin V. V., Chiginev A. V. Vortex motion and wave excitation in layered superconductors with intrinsic Josephson effect // Proceedings of the International conference on Theoretical Physics "Dubna-Nano2008". Dubna: 2008.-July.

A17. Курин В. В., Чигинев А. В. Взаимодействие линейных волн и движущихся решеток джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках // Труды Третьей международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС-08». Звенигород: 2008.-октябрь. С. 100-101.

А18. Курин В. В., Чигинев А. В. Возбуждение линейных волн в слоистых сверхпроводниках движущимися решетками джозефсоновских вихрей // Материалы XIII ежегодного симпозиума «Нанофизика и на-ноэлектроника». Н. Новгород: 2009. —март. С. 157-158.

Цитированная литература

1. Бароне А., Патерно Д. Эффект Джозефсона: физика и применения, пер. с англ. Москва, Мир, 1984.

2. Лихарев К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. Москва, 1985.

3. Ozyuzer L., Koshelev А. Е., Kurter С. et al. Emission of Coherent THz Radiation from Superconductors // Science. 2007. Vol. 318. P. 1291.

4. Sakai S., Bodin P., Pedersen N. F. Fluxons in thin-film superconductor-insulator superlattices // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 73. P. 2411.

5. Bulaevskii L. N., Zamora M., Baeriswyl D. et al. Time-dependent equations for phase differences and a collective mode in Josephson-coupled layered superconductors // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. P. 12831.

6. Садовский M. В. Высокотемпературная сверхпроводимость в слоистых соединениях на основе железа // УФН. 2008. Т. 178. С. 1243.

7. Ивановский А. Л. Новые высокотемпературные сверхпроводники на основе оксиарсенидов редкоземельных и переходных металлов и родственных фаз: синтез, свойства и моделирование // УФН. 2008. Т. 178. С. 1273.

8. Изюмов Ю. А., Курмаев Э. 3. Новый класс высокотемпературных сверхпроводников в FeAs-системах // УФН. 2008. Т. 178. С. 1307.

9. Коуата Т., Tachiki М. I-V characteristics of Josephson-coupled layered superconductors with longitudinal plasma excitations // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54. P. 16183.

10. Koshelev A. E. Role of in-plane dissipation in dynamics of a Josephson vortex lattice in high-temperature superconductors // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62. P. R3616.

11. Helm C., Preis C., Forsthofer F. et al. Coupling between Phonons and Intrinsic Josephson Oscillations in Cuprate Superconductors // Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 79. P. 737.

12. Helm C., Preis C., Walter C., Keller J. Theory for the coupling between longitudinal phonons and intrinsic Josephson oscillations in layered superconductors // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62. P. 6002.

13. Ju H. Kim, Pokharel J. Collective Josephson vortex dynamics in long Joseph-son junction stacks // Physica C. 2003. Vol. 384. P. 425.

14. Machida M., Sakai S. Unified theory for magnetic and electric field coupling in multistacked Josephson junctions // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70. P. 144520.

ЧИГИНЕВ Александр Валерьевич

РЕЗОНАНСНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ВИХРЕЙ И СОБСТВЕННЫХ МОД МАССИВОВ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ КОНТАКТОВ

Автореферат

Подписано к печати 23.12.2010 г. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе в Институте физики Микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Чигинев, Александр Валерьевич

Введение

Глава 1. Динамика вихрей в узких длинных джозефсоновских контактах с полосковой линией.

1.1. Введение.

1.2. Контакт с полосковой линией.

1.3. Численный эксперимент: вольт-амперные характеристики

Введение диссертация по физике, на тему "Резонансное взаимодействие движущихся джозефсоновских вихрей и собственных мод массивов распределенных контактов"

2.2. Основные уравнения. Учет влияния внешней волноведущей системы.47

2.3. Анализ устойчивости прямоугольной вихревой решетки.51

2.4. Численный эксперимент.60

2.5. Заключение.65

Глава 3. Взаимодействие линейных волн и движущихся решеток джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках .66

3.1. Введение.66

3.2. Феноменологическое описание джозефсоновской динамики слоистого ВТСП. Гидродинамический подход.69

3.3. Дисперсионные характеристики линейных волн.81

3.4. Численный эксперимент.86

3.5. Заключение. 99

Общее заключение. 100

Список публикаций автора по теме диссертации.101

Литература.103

Введение

Динамика джозефсоновских вихрей и линейных волн является сложной и разнообразной в случае, когда распределенные джозефсоновские контакты объединены в многослойные структуры и способны взаимодействовать между собой. Существующая к настоящему моменту технология позволяет изготавливать такие структуры с высоким качеством и небольшим разбросом параметров. Кроме того, интерес к динамике джозефсоновских вихрей в многослойных структурах в значительной мере связан с тем, что некоторые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с сильной анизотропией обладают внутренним эффектом Джозефсона, и являются в этом смысле естественными джозефсоновскими сверхрешетками.

Многослойные джозефсоновские структуры могут служить основой для построения генераторов электромагнитного излучения, верхний предел по частоте которых ограничен величиной энергетической щели в сверхпроводниках и составляет величину порядка 1 ТГц для искусственных структур на основе ниобия и порядка 10 ТГц для слоистых ВТСП. Для обеспечения эффективной генерации электромагнитных волн из слоистых структур необходима синхронизация отдельных контактов системы, и в этой связи актуальной является проблема устойчивости движущихся решеток джозефсоновских вихрей в многослойных сверхпроводящих структурах.

В последнее время наблюдается возрождение интереса к исследованию динамики джозефсоновских вихревых решеток в слоистых сверхпроводниках, связанное с недавним обнаружением генерации электромагнитных волн с частотой около 1 ТГц из структуры на основе В12Зг2СаСи208+х [3]. Несмотря на значительные усилия теоретиков, механизм данного излучения остается непонятным. Возможной причиной этого является несовершенство моделей, традиционно используемых для описания джозефсоновской динамики слоистых сверхпроводников. Поэтому развитие теории, описывающей динамику джозефсоновских вихрей в слоистых ВТСП, является актуальной задачей.

Ниже рассмотрены основные уравнения, описывающие эффект Джозефсона, и их важнейшие решения, и введены ключевые определения, использующиеся при описании джозефсоновских структур.

Сверхпроводящий ток, протекающий через джозефсоновский контакт, связан с в — разностью фаз сверхпроводящего параметра порядка на берегах контакта. В рамках простейшей модели эта связь записывается в виде

I = /с бш 9, где 1С — критический ток джозефсоновского перехода. Эффект протекания сверхпроводящего тока через джозефсоновский контакт получил название стационарного эффекта Джозефсона.

При превышении внешним током критического значения на обкладках контакта появляется напряжение. Величина этого напряжения связана с временной производной джо-зефсоновской фазы через комбинацию фундаментальных констант

2е 2тг с

2) где К — постоянная Планка, е — заряд электрона. Данное явление называется нестационарным эффектом Джозефсона. Величина Фо называется квантом магнитного потока и выражается через фундаментальные константы: Ф0 = 7ГНс/е = 2.07 • Ю-7 Гс • см2.

Соотношения (1) и (2) являются основными в физике джозефсоновских переходов и называются джозефсоновскими соотношениями.

Рис. 1. Эквивалентная схема точечного джозефсоновского контакта в резистивно-шунтированной модели.

Для описания динамики точечных джозефсоновских контактов широко используется резистивно-шунтированная модель [1, 2] = <3>

Здесь С — емкость контакта, Я — сопротивление контакта, /е — внешний ток. Данная модель учитывает, помимо джозефсоновского сверхтока, ток смещения в контакте, и квазичастичный ток. Эквивалентная схема точечного контакта в резистивно-шунтированной модели представлена на рис. 1.

Рассмотрим одиночный распределенный джозефсоновский переход, представляющий собой классическую схему для изучения динамики солитонов и эффекта Джозефсона. Примеры распределенных джозефсоновских переходов показаны на рис. 2.

Сверхпроводящие обкладки

Диэлектрическая прослойка

Рис. 2. Схематическое изображение распределенного джозефсоновского контакта а) — в линейной геометрии с перекрытием, б) — в кольцевой геометрии.

Описание динамики распределенного джозефсоновского контакта основано на дифференциальном уравнении в частных производных 1

-^0«-А|0гх + 8Ш0 = О, (4) си3 которое называется уравнением синус-Гордона. Величина в(х,Ь) в уравнении (4) называется джозефсоновской разностью фаз; А^ — это джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля в переход (в направлении х). В случае, когда толщина берегов контакта значительно превышает А — лондоновскую глубину проникновения магнитного поля в берега, выражение для А^ принимает вид

А,= сФ0

Здесь с1 — толщина диэлектрической прослойки контакта, ]с — критическая плотность тока контакта. Далее, величина называется джозефсоновской плазменной частотой и равна шз = 87Г 2]ссс1 еФо

Электрическое и магнитное поля в контакте выражаются через производные джозефсоновской разности фаз

Фо 1 Фо 1

Е=ъГы9и В=2^^Т2Хвх- (5)

Уравнение (4) подразумевает одномерную модель распределенного джозефсоновско-го контакта, в которой джозефсоновская фаза зависит только от координаты, направленной вдоль контакта. Это справедливо, если ширина контакта много меньше Xj.

Для решения дифференциальное уравнение в частных производных (4) должно быть дополнено граничными условиями. Они зависят от геометрии задачи. В линейной геометрии с перекрытием (рис. 2, а), когда толщина берегов много больше Л, граничные условия записываются в следующем виде

2ж

9Х(Ь, 0 = 0Ж(О, ¿) = —(<£ + 2А)Я, (6)

Фо где Ь — длина системы, Н — внешнее магнитное поле.

Для перехода в кольцевой геометрии (рис. 2, б) граничные условия записываются в виде в{Ь,г) =0(О,£) + 2тгЯ, вх{Щ) = вх(0,1). (7)

Здесь Я — число вихрей, захваченных в переход, Ь — длина окружности кольца. В настоящей работе исследуются распределенные контакты и структуры на их основе в кольцевой геометрии.

При теоретическом описании распределенных джозефсоновских переходов широко используются нормированные единицы. В качестве единицы длины обычно используется джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля А.,, а в качестве единицы времени — обратная джозефсоновская плазменная частота ал^1. В нормированных единицах уравнение синус-Гордона записывается следующим образом ви-9хх + втв = 0, (8) где £ —>■ ш^, х —>- ж/А.,-.

Уравнения синус-Гордона имеет нелинейные решения в виде джозефсоновских вихрей. Простейшим решением такого типа является одиночный джозефсоновский вихрь (рис. 3): в(х, ¿) = 4 ап^апехр , (9) у/1 — и2 где и — скорость вихря. Характерным размером джозефсоновского вихря является Xj. Магнитный поток одного вихря равен Ф0 — кванту магнитного потока. Множитель (1 — и2)-1/2 в показателе экспоненты описывает лоренцево сокращение джозефсоновского вихря при его движении. Предельная скорость джозефсоновского вихря равна с = и называется скоростью Свихарта.

Вид сверху \\

Рис. 3. Джозефсоновский вихрь в распределенном контакте, а) схематическое изображение магнитного поля и тока вихря, б) распределение джозефсоновской разности фаз в(х), магнитного поля В(х), и сверхпроводящего тока вихря js{x)■

При наложении на распределенный контакт внешнего магнитного поля в нем формируется цепочка джозефсоновских вихрей. Решение, описывающее движущуюся периодическую цепочку вихрей Джозефсона, выражается через эллиптические функции и имеет следующий вид:

9 — 7Г ( х — Ы

БШ —Г— = БП ( -, , X.

Сл/1 — и' где и — скорость цепочки вихрей, х — модуль эллиптической функции, связанный с периодом I вихревой цепочки соотношением

10)

I = гг

П) где К(х) — полный эллиптический интеграл 1-го рода. В пределе слабого внешнего магнитного поля х —1 выражение (10) переходит в выражение, описывающее одиночный джозефсоновский вихрь (9). В пределе сильного внешнего магнитного поля к —» 0 решение (10) переходит в решение, описывающее плотную вихревую цепочку 1

9 = Н(х — иЬ) — вт Н(х — и£),

12)

Л(1 - и2) где к — безразмерное внешнее магнитное поле. Выражение (12) будет использовано нами в дальнейшем при анализе устойчивости прямоугольной вихревой решетки. Решение вида

9 ( х — иЬ \

8,п2 = хвп{7^1'") <13) описывает периодическую знакопеременную цепочку джозефсоновских вихрей. В пределе к —> 0 данное решение переходит в важный частный случай — линейные гармонические

СО; J к

Рис. 4. Дисперсионная характеристика линейных волн в длинном джозефсоновском контакте. волны малой амплитуды в = Аехр (гкх — шЬ), |А| <С 1. Дисперсионная характеристика линейных волн записывается в виде

Дисперсионная кривая имеет вид гиперболы (рис. 4) с минимальной частотой (в размерной записи) и с асимптотами, имеющими наклон с. Видно, что фазовая скорость линейных волн в распределенном джозефсоновском контакте всегда превышает с.

Из выражения (9) видно, что скорость джозефсоновского вихря не может превосходить скорость Свихарта с. С другой стороны, как уже было отмечено выше, фазовая скорость линейных волн в длинном джозефсоновском контакте всегда больше с. Данное обстоятельство делает невозможным черенковское излучение линейных волн джозефсо-новским вихрем, поскольку необходимым условием такого излучения является равенство скорости источника и фазовой скорости излучаемой волны (условие черенковского синхронизма). Поэтому для того, чтобы обеспечить возможность черенковского излучения, дисперсия линейных волн в контакте должна быть соответствующим образом изменена. Это может быть достигнуто, например, соединением распределенного контакта с внешней электродинамической волноведущей системой. Исследование черенковского излучения джозефсоновского вихря в распределенном переходе, соединенном с волноведущей системой простейшего видя — полосковой линией, является одной из целей настоящей работы.

При приложении к длинному джозефсоновскому переходу внешнего тока джозеф-соновский вихрь приходит в движение, разгоняясь до некоторой скорости. Эта скорость

- ¿2 + к2 + 1 = 0.

14) зависит от величины внешнего тока и затухания в контакте, которые входят в уравнение синус-Гордона следующим образом: dtt ~ 9ХХ + sin в = j — 7<9t,

15) где j — ]е./3с — безразмерная плотность внешнего тока, выраженная в единицах кристиче-ской плотности джозефсоновского сверхтока, 7 = щф0/(2тггцс) — константа затухания в контакте, г — сопротивление контакта на единицу площади. При достаточной малости j и 7 связь скорости вихря и внешнего тока находится методом возмущений [4] и имеет вид

7Г 7 и т J = vT и*

16)

Это выражение представляет собой, с точностью до постоянных множителей, участок flux-flow ветвь ветвь Маккамбера

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика длинного джозефсоновского перехода с вихрем. вольт-амперной характеристики (ВАХ) длинного джозефсоновского перехода (рис. 5), соответствующий движению в переходе джозефсоновского вихря (flux-flow ветвь). Напряжение на контакте выражается через скорость вихря с помощью нестационарного джозефсоновского соотношения (2): U = и ■ Ф0/(Lc), где L — длина системы. В настоящей работе, говоря о вольт-амперной характеристике, мы будем также подразумевать и зависимость скорости вихря (или вихревой решетки) от внешнего тока.

При внешнем токе, большем критического, контакт переходит в состояние с почти однородным по всей его длине ростом джозефсоновской фазы. В данном состоянии квазичастичный ток в переходе много больше по сравнению с джозефсоновским сверхтоком и током смещения. При этом связь напряжения на контакте и внешнего тока приближенно выражается законом Ома и = ]ег. Соответствующая ветвь ВАХ называется ветвью Маккамбера (рис. 5), которая близка к омической ветви.

Вид вольт-амперной характеристики распределенного джозефсоновского перехода существенно зависит от формы джозефсоновского вихря в системе. Она может быть изменена под влиянием внешних электродинамических систем. В настояхцей работе исследуется зависимость ВАХ длинного джозефсоновского перехода, соединенного с полосковой линией, от различных параметров системы.

Сверхп ро водящие электроды прослойки

Рис. 6. Схематическое изображение многослойной распределенной джозефсоновской структуры из четырех контактов.

Пример многослойного распределенного джозефсоновского перехода показан на рис. 6. Данный переход состоит из чередующихся слоев сверхпроводника и диэлектрика и может рассматриваться как несколько распределенных контактов, каждый из которых имеет общие сверхпроводящие электроды с двумя соседними.

Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости в значительной степени стимулировало интерес исследователей к физике сверхпроводников и открыло большие перспективы технического применения сверхпроводящих материалов. Был открыт ряд соединений, таких как УВаСиО, В128г2СаСи208+х, ••• , обладающих критической температурой, превышающей температуру кипения жидкого азота. Все эти соединения имеют сложный химический состав, и характерной особенностью их строения является наличие СиО слоев, разделенных атомами других элементов, входящих в состав соединения

Рис. 7. Структура кристаллической решетки слоистого сверхпроводника (на примере

В128г2СаСи208+х). (рис. 7).

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) обладают анизотропией, которая сильно отличается у разных соединений. Так, например, фактор анизотропии наиболее известного ВТСП — УВаСиО — имеет значение порядка 7. 10, в то время как у других соединений, например, у В123г2СаСи208+х, этот параметр может достигать значения порядка 1000. В таких сильноанизотропных соединениях при достаточно низких температурах длина когерентности в поперечном направлении станет меньше расстояния между СиО слоями. Такие сверхпроводники называют слоистыми. Характерной особенностью слоистых ВТСП является наличие в них внутреннего эффекта Джозефсона [5, 6]. Таким образом, слоистые сверхпроводники являются в этом смысле естественными многослойными джозефсоновскими переходами, и поэтому для объяснения свойств таких материалов совершенно необходим учет особенностей динамики джозефсоновских контактов.

Благодаря конечной толщине сверхпроводящих электродов между соседними распределенными контактами слоистой структуры имеется взаимодействие. Наиболее существенным механизмом такого взаимодействия является связь за счет проникновения магнитного поля джозефсоновского перехода в соседний контакт через тонкий сверхпроводящий слой. Этот тип взаимодействия соседних контактов в структуре называется магнитной, или индуктивной связью. Модель, описывающая динамику многослойного джозефсоновского перехода и учитывающая индуктивную связь, была предложена в работах [7, 8] Согласно данной модели, слоистая сверхпроводящая структура с джозефсоновской связью между слоями описывается следующей системой уравнений типа синус-Гордона 70mt+SÍn вт-je)- (17) т

В данной системе Кп^п±i = s', Кпп = d', все остальные элементы матрицы К равны нулю. Отличие недиагональных элементов матрицы от нуля учитывает эффект проникновения магнитного поля из одного джозефсоновского контакта структуры в соседний контакт через тонкий сверхпроводящий слой, толщина которого предполагается меньшей лондо-новской длины.

Система уравнений (17) широко используется для описания джозефсоновской динамики как многослойных распределенных джозефсоновских переходов, так и слоистых сверхпроводников.

В случае, когда рассматривается искусственная джозефсоновская структура, выражения для элементов матрицы К принимают следующий вид [7, 9, 10] dsinhí/A + 2Acosht/A А d sinhí/A + 2A cosh t/X - 2А' S ~ d sinh t/A + 2A cosh t/A - 2A' ^ '

Здесь d — толщина диэлектрической прослойки между сверхпроводящими слоями, t — толщина сверхпроводящего слоя, А — лондоновская глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводящий слой. Для простоты мы предположили, что данные параметры одинаковы для всех джозефсоновских контактов, входящих в состав многослойной структуры.

В случае, когда система (17) применяется для описания джозефсоновской динамики слоистого сверхпроводника, выражения для элементов матрицы К удобно записывать в следующем виде d' = 2 + ^-, s' = -l, (19) ab где s — расстояние между CuO слоями в слоистом сверхпроводнике, Ааь — длина экранировки магнитного поля сверхпроводящими токами, текущими вдоль CuO слоев. Джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля в данном случае равна Aj = Ts, где Г — фактор анизотропии слоистого сверхпроводника.

Система уравнений (17) имеет решение в виде линейных волн малой амплитуды, распространяющихся вдоль слоев многослойной джозефсоновской структуры. Дисперсионная характеристика таких волн записывается в следующем виде

- ш2 + v2qk2 + 1 = 0. (20)

Здесь y2q = d' + 2s' — 2s'(l — cos q) ^ скорость Свихарта q-й моды [11]. Индекс q характеризует зависимость моды от номера слоя: 9q ~ ехр гдп. Мода с индексом q = 0 устроена одинаково во всех слоях многослойной структуры и называется симметричной модой. Мода с q = тг распределена по слоям таким образом, что распределения в соседних слоях отличаются знаком, и называется, таким образом, антисимметричной модой. Дисперсионные кривые линейных мод разной симметрии показаны на рис. 8. Видно, что наибольшей характеристической скоростью обладает симметричная мода, в то время как антисимметричная мода является наиболее медленной. к

Рис. 8. Дисперсионные характеристики мод Свихарта разной поперечной симметрии в многослойных распределенных джозефсоновских переходах.

При приложении к многослойному джозефсоновскому переходу внешнего магнитного поля, ориентированного параллельно слоям, в структуре формируется решетка джозефсоновских вихрей (рис. 9). Она может быть приведена в движение с помощью внешнего тока, пропускаемого через структуру в направлении, перпендикулярном слоям. С практической точки зрения наиболее выгодным было бы взаимное расположение вихрей в виде

1 1 1 ^е | 111

111 111 оое

О О О' V о о- о

Рис. 9. Решетки джозефсоновских вихрей в многослойных переходах (схематическое изображение): а) треугольная решетка, б) прямоугольная решетка, или синфазный режим движения вихрей. Круговыми стрелками показаны линии тока вихрей. прямоугольной решетки, когда вихри располагаются точно один над другим (рис. 9, б). Этот режим движения вихрей называют еще синфазным режимом. Он характеризуется большой амплитудой переменного электромагнитного поля и может в перспективе быть использован для генерации электромагнитных волн. Однако при небольших скоростях взаимное отталкивание вихрей, находящихся в соседних контактах структуры, приводит к разрушению синфазного режима и формированию других вихревых конфигураций. Исследования устойчивости джозефсоновских вихревых решеток, проведенные в ряде работ, показали возможность устойчивости синфазного режима при выполнении некоторых условий [12-14]. Однако в этих работах исследовалась устойчивость только по отношению к возмущениям с большой длиной волны, в то время как для полного ответа на вопрос о стабильности того или иного решения необходимо исследование устойчивости по отношению к возмущениям с любыми длинами волн.

Распределенные джозефсоновские переходы в кольцевой геометрии представляют собой удобную систему для изучения динамики джозефсоновских вихрей, так как не возникает деформации вихрей при их взаимодействии с торцами контакта. Излучение, возникающее при движении джозефсоновских вихрей в кольцевых контактах, может быть выведено различными способами. Обычно для вывода излучения используются микропо-лосковые отводы или антенны. Кроме того, следует учесть, что при движении вихрей в кольцевом контакте излучение будет возникать снаружи перехода на расстоянии от центра, на котором линейная скорость перемещения распределения электромагнитного поля, создаваемого вихрем, станет больше скорости света. Это расстояние называется радиусом светового цилиндра и находится по формуле г = II ■ с/и = с/П, где Я — радиус внешнего края кольцевого перехода, и — скорость джозефсоновского вихря на внешнем крае перехода, Г2 — угловая скорость вихря.

Система уравнений (17) не учитывает всех возможных механизмов связи между соседними внутренними джозефсоновскими контактами в слоистых сверхпроводниках. Помимо магнитной связи, в слоистых ВТСП имеет место зарядовая связь из-за проникновения перпендикулярного электрического поля через тонкие сверхпроводящие слои. Такой тип взаимодействия был впервые учтен в модели, предложенной в [15]. В данной модели предполагается, что радиус Дебая сверхпроводящих слоев больше толщины слоев, поэтому слой не экранирует электрическое поле полностью. Учет данного явления ведет к модификации джозефсоновского соотношения (2), которое в данной модели записывается в виде вп = зЕп + ~ 2Еп + Еп+1), (22) е где 77 — параметр зарядовой связи. Фактически, в работе [15] была впервые учтена пространственная дисперсия сверхпроводящих электронов. В последующих работах [16, 17] была предложена модель, объединяющая модели с магнитной и зарядовой связью между слоями. Однако учет пространственной дисперсии электронов в перечисленных работах произведен только в направлении, перпендикулярном слоям, и поэтому является неполным.

В работах [18-21] проведен учет квазичастичного разбаланса в слоистых сверхпроводниках и рассмотрена динамика джозефсоновских вихревых решеток с учетом квазичастичного разбаланса. Вопросы о влиянии нормального тока вдоль слоев на динамику джозефсоновских вихревых решеток в слоистых сверхпроводниках обсуждались в работах [13, 14, 22, 23].

Слоистые ВТСП имеют сложное строение (рис. 7), которое обусловливает наличие у данных материалов большого количества собственных мод, таких как электромагнитные, плазменные, фононные моды, и т. п. Все эти моды, в принципе, могут быть возбуждены джозефсоновскими вихрями в слоистом ВТСП, приводя к разного рода резонансам на ВАХ и формированию необычных вихревых конфигураций. Для изучения таких эффектов необходима модель, способная учитывать все линейные моды слоистого сверхпроводника и полноценным образом описывающая пространственную дисперсию электронов в слоистом ВТСП. Поэтому построение такой модели является актуальной задачей.

Таким образом, целями диссертационной работы являются: исследование влияния внешних электродинамических систем на динамику вихрей в длинных джозефсоновских контактах и джозефсоновских сверхрешетках; развитие теории, описывающей взаимодействие линейных волн и джозефсоновских вихрей в слоистых высокотемпературных сверхпроводниках; изучение влияния внутренних резонансов на динамику решеток джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках.

Практическая ценность работы

Научная новизна работы

Проведено исследование черепковского излучения джозефсоновского вихря в длинном контакте, связанном с полосковой линией, без предположения о малости величины связи контакта и полосковой линии. Отсутствие малости данной связи приводит к изменению формы джозефсоновского вихря в контакте, которое было учтено в работе.

Впервые построена модель гидродинамического типа, на равных основаниях описывающая взаимодействие различных типов линейных волн в слоистом ВТСП с джозефсо-новскими вихрями. Использован оригинальный подход к построению модели, позволивший учесть пространственную дисперсию электронов, и сохранить симметрию исходных уравнений в окончательной формулировке модели.

Впервые в численном эксперименте продемонстрировано возбуждение фононных и гибридных мод движущейся решеткой джозефсоновских вихрей в слоистом ВТСП.

Личный вклад диссертанта в данную работу

Равнозначный (совместно с научным руководителем В.В. Куриным, N. Иу1гашя, N. Ьагапс1ез, Х-С. Сарг^о) в вывод интегро-дифференциального уравнения, описывающего динамику распределенного джозефсоновского перехода, связанного с полосковой линией, исследование дисперсионных характеристик исследуемой системы, разработку схемы численного моделирования [А1];

Равнозначный (совместно с научным руководителем В.В. Куриным) в вывод модели, описывающей динамику многослойного джозефсоновского перехода, связанного с внешней волноведущей системой, исследование устойчивости синфазного режима в исследуемой структуре, разработку схемы численного моделирования, и интерпретацию результатов численного эксперимента по расчету вольт-амперной характеристики исследуемой системы [А2, АЗ, А6-А10];

Определяющий в написание компьютерной программы для численного моделирования динамики решеток джозефсоновских вихрей в многослойном распределенном переходе Джозефсона, соединенном с внешней полосковой линией, и проведение с ее помощью численных расчетов вольт-амперной характеристики исследуемой системы [АЗ, А9, А10];

Равнозначный (совместно с научным руководителем В.В. Куриным) в вывод модели гидродинамического типа, описывающей совместную динамику джозефсоновских вихрей и линейных мод различной природы в слоистых высокотемпературных сверхпроводниках, анализ дисперсионных характеристик исследуемой системы, разработку схемы численного моделирования, и интерпретацию результатов проведенных численных расчетов [А4, А5, А11-А18];

Определяющий в написание компьютерной программы для численного моделирования совместной динамики решеток джозефсоновских вихрей и линейных волн в слоистых сверхпроводниках, ^проведение на основе выведенной модели численных расчетов вольт-амперных характеристик слоистого сверхпроводника с движущейся решеткой джозефсоновских вихрей [А16-А18].

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Распределенный джозефсоновский контакт, электродинамически связанный с по-лосковой линией, описывается нелокальным во времени и пространстве уравнением типа синус-Гордона. Наличие пассивной области, электродинамически связанной с распределенным джозефсоновским переходом, приводит к такому изменению дисперсионной характеристики линейных волн в системе, что становится выполнимым условие синхронизма между движущимся вихрем и линейной волной. В результате при определенных скоростях вихря возникает черенковское излучение линейных волн вихрем, проявляющееся в появлении ступенек на вольт-амперной характеристике длинного контакта с пассивной областью.

2. Наличие замедляющей системы, электродинамически связанной с многослойной структурой, состоящей из распределенных джозефсоновских контактов, приводит к устойчивости и спонтанному установлению синфазного режима движения решетки джозефсоновских вихрей в определенном диапазоне скоростей вихревой решетки. При этом диапазон скоростей решетки, при которых достигается ее устойчивость, зависит от степени замедления электромагнитной волны замедляющей системой.

3. Взаимодействие решетки джозефсоновских вихрей, движущейся в слоистом сверхпроводнике, и различными его собственными модами, может быть описано в рамках предложенной единой модели гидродинамического типа. Влияние нормальных электронов и дополнительных степеней свободы, таких как фононы, учитывается в данной модели с помощью соответствующих выражений для диэлектрических восприимчивостей. Линейные моды возбуждаются движущейся вихревой решеткой, что приводит к появлению ступеней на В АХ слоистых сверхпроводников с движущейся решеткой джозефсоновских вихрей.

Апробация работы

- Санкт-Петербург, Россия, 2004; на XIII научной школе «Нелинейные волны - 2006», Нижний Новгород, Россия, 2006; на X ежегодном симпозиуме «Нанофизика и наноэлек-троника», Нижний Новгород, 2006; на 5-м международном симпозиуме по внутреннему эффекту Джозефсона в высокотемпературных сверхпроводниках, Лондон, Великобритания, 2006; на 2-й международной конференции «Фундаментальные проблемы сверхпроводимости ФПС-06», Звенигород, Россия, 2006; на международной конференции по теоретической физике 'Т)иЬпа-1Мапо 2008", Дубна, Россия, 2008; на XIII ежегодном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2009.

Публикации

Объем и структура диссертации

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

2.3.3. Вывод

Суммируя аналитические результаты, полученные выше, мы приходим к следующему выводу. При условии, что симметричная мода является самой медленной, устойчивость синфазного режима зависит от скорости решетки как показано на рис. 2.9. При скорости решетки 0 < и < у' синфазный режим неустойчив по отношению к длинноволновым возмущениям, что приводит к формированию треугольной вихревой решетки. При скорости у' < и < у\ синфазный режим устойчив по отношению ко всем возмущениям в системе. При и> У\ъ системе развивается коротковолновая параметрическая неустойчивость, которая, однако, подавляется при дальнейшем увеличении скорости. Если же симметричная мода не является самой медленной в системе, то, как показано на рис. 2.10, область абсолютной устойчивости синфазного режима исчезает, а области длинноволновой и параметрической неустойчивостей перекрываются. Таким образом, при этом синфазный режим является неустойчивым до тех пор, пока скорость решения недостаточно велика для подавления параметрической неустойчивости.

2.4. Численный эксперимент

В предыдущем разделе мы аналитически показали, что синфазный режим движения вихревой решетки может быть устойчив при определенных условиях. С точки зрения приложений было бы интересно выяснить, устанавливается ли этот режим спонтанным образом при изменении параметров системы. Чтобы это проверить, недостаточно пользоваться линейной теорией возмущений, а необходимо решать нелинейную задачу. Для этого мы провели численный эксперимент, методика и результаты которого описаны ниже. Кроме того, с помощью численного моделирования оказывается возможным выяснить, к каким изменениям наблюдаемой картины полей приводит развитие неустойчивостей в системе.

2.4.1. Методика

Кратко опишем методику численного эксперимента. Для простоты система предполагается замкнутой в кольцо длиной Ь. Это означает, что фаза в каждом контакте удовлетворяет следующим граничным условиям вп{Ь) = 9п(0) + 2ж11п, (2.48) где Яп — число вихрей в п-м контакте стека. Вводя новые переменные фп{х) = 9п{х) — 2ж11пх/Ь, удовлетворяющие периодическим граничным условиям фп(Ь) = фп(0), мы приходим к следующей системе уравнений для фп

Г Ктп{д\Фт + -уЪфт + 8Ш (фт + - j + 6^фк} = д2хфп, П = 1, . . . , N. (2.49) ш=1 к=1

Применяя к этой системе ««-преобразование (2.20а), (2.20Ь), получаем аМ

1 + аЫ)с%ф 1 = (1 + + -у&фх + Л - N3, (2.50а) уЩ-фч = %фч + + /„ Я = 2,., ]У, (2.50Ь) где fq — связаны cos-преобразованием (2.20а), (2.20b) с sin (фт Jr2ixRmx/L). Применяя затем к полученной системе Фурье-преобразование по координате, получаем систему уравнений в обыкновенных производных но времени aN -

- 1 + aN^k = (1 + —)ф1,к + JeA,k + /i|fc - NLjö(k), (2.51a) ce

-k2vföq>k = ij>qik + + fq,k- (2.51b)

Для вычисления Фурье-преобразования используется стандартный алгоритм быстрого преобразования Фурье (FFT). Полученную систему уравнений мы сводим к системе уравнений первого порядка по времени и решаем последнюю методом Рунге-Кутта 4-го порядка. В результате решения этой системы мы построили вольт-амперную характеристику (рис. 2.11) и распределения поля вЯх в зависимости от координаты х и номера слоя п.

2.4.2. Результаты

Рис. 2.11. ВАХ системы из четырех слоев. Параметры см. в тексте. Цифрами обозначены участки ВАХ, соответствующие разным режимам движения вихрей (см. рис. 2.12-2.17). Пунктирной линией показана зависимость амплитуды первой гармоники напряжения на стеке в зависимости от внешнего тока.

На рис. 2.11 показана ВАХ, найденная нами в результате численного эксперимента. Мы измеряли скорость вихревой решетки в зависимости от тока смещения ], который менялся в интервале от 0 до 1.1 с шагом 0.02 туда и обратно. При расчете были использованы следующие значения параметров: число слоев N — 4, число квантов потока в слое

Я = 10, длина системы Ь = 24, а — 0.1, 7 = 0.1, Г = 0, я = —0.07, се = 0.6. Параметры системы подобраны так, чтобы характеристическая скорость симметричной моды У\ была меньше всех характеристических скоростей асимметричных мод уд, д = 2,., N.

3.2 з.о

2.8

2.6

2.4

2.2

2.0

100

150

200

250 зоо

Рис. 2.12. Распределение поля 9пх,т1 — 1,., 4 в зависимости от координаты при ] — 0. Вихри образуют треугольную вихревую решетку. Здесь и на следующих рис. цифра над графиком обозначает участок ВАХ, на котором имеет место данное распределение поля (см. рис. 2.11).

Рассмотрим ВАХ системы из четырех слоев (рис. 2.11). При j = 0 (в начале измерения) устанавливается статическая треугольная вихревая решетка (рис. 2.12). В точке j — 0.22 происходит переход к синфазному режиму (рис. 2.13). Скорость вихревой решетки в этой точке ВАХ равна примерно и = 0.737, что хорошо согласуется с аналитической формулой (2.47). Как показано на рис. 2.11, амплитуда первой гармоники в синфазном режиме резко возрастает. Заметим, что амплитуда осцилляций поля составляет примерно половину от среднего значения поля (рис. 2.13), что говорит о высокой эффективности AC/DC преобразования в этом режиме. При дальнейшем ходе ВАХ (по flux-flow ступеньке) качественная картина распределения поля не меняется, за исключением того, что вихри испытывают Лоренцево сокращение (рис. 2.14), и коэффициент AC/DC преобразования остается высоким вплоть до точки перехода на резистивную ветвь. При j — 1 система переходит в состояние с быстрым ростом фазы. Картина распределения поля в стеке при этом качественно не меняется, но амплитуда первой гармоники напряжения резко падает (рис. 2.11 и 2.15). При обратном ходе по резистивной ветви ВАХ амплитуда осцилляций постепенно повышается с сохранением синфазного режима. В точке j = 0.6 ВАХ испытывает небольшой излом. Распределение полей в этой точке обладает нарушен

4.5-1 4.03.53.02.52.01.5

1.0 i—

100

150

200

250

300

Рис. 2.13. Распределение поля впх, п = 1,. ,4 в зависимости от координаты при '] — 0.22. Синфазный режим с большой амплитудой переменной составляющей поля.

1210 < 8642

VJ I

UVj

U U

VJ U

100

150

200

Layers 1-4] V

250

300

Рис. 2.14. Распределение поля 0пх,п = 1,. ,4 в зависимости от координаты при ] = 0.6. Лорен-цево сокращение джозефсоновских вихрей. ной периодичностью (рис. 2.16), что объясняется развитием неустойчивостей в системе. При дальнейшем уменьшении тока смещения j амплитуда осцилляций растет. В точке j — 0.36 из картины распределения полей (рис. 2.17) отчетливо видно, что распределение имеет 12 максимумов, хотя в каждый контакт стека заключено по 10 квантов магнитного потока. Это означает, что в результате развития коротковолновых неустойчивостей произошло рождение пары вихрь-антивихрь. По мере дальнейшего уменьшения j происходит аннигиляция пары, установление синфазного режима, возврат на flux-flow ступеньку, и, после прохождения точки и = г/, синфазный режим сменяется треугольной решеткой. X

Рис. 2.15. Распределение поля 0пх, п — 1,., 4 в зависимости от координаты при ] — 0.96 (обратный ход). Синфазный режим с малой амплитудой осцилляций поля.

2.68 2.66 2.64 2.62 Э-* 2.60 2.58 2.56 2.54

--1-'-1---I-■-1-1-1---1---1

0 50 100 150 200 250 300 X

Рис. 2.16. Распределение поля впх,п = 1,. ,4 в зависимости от координаты при ] = 0.6 (обратный ход). Развитие коротковолновых неустойчивостей.

Из проведенного нами численного эксперимента можно сделать несколько выводов. Во-первых, синфазный режим движения вихрей устанавливается при условии, что симметричная мода возмущений в системе является самой медленной, и это установление происходит при скорости, вычисляемой по формуле (2.47). Во-вторых, при относительно большой скорости вихревой решетки в системе развивается коротковолновая неустойчивость, проявляющаяся в рождении пар вихрь-антивихрь. Оба этих вывода подтверждают правильность аналитических результатов, полученных в предыдущем разделе. В-третьих, при большой скорости прямоугольная вихревая решетка является устойчивой из-за подав

I—

100

200 i— 250

150

300

Рис. 2.17. Распределение поля впх,п = 1,. ,4 в зависимости от координаты при ] = 0.36 (обратный ход). Рождение пары вихрь-антивихрь. ления параметрической неустойчивости. Однако этот режим не является перспективным для приложений, так как амплитуда переменной составляющей поля при этом мала.

3.5. Заключение

Мы предложили феноменологическую модель гидродинамического типа, описывающую динамику неоднородных распределений джозефсоновской разности фаз в слоистых ВТСП. т. е. движущихся джозефсоновских вихрей и линейных волн. В качестве предельных случаев предложенная модель содержит все ранее рассмотренные феноменологические описания джозефсоновской динамики слоистых сверхпроводников. Основываясь на выведенной модели, мы провели численный эксперимент, продемонстрировавший возбуждение линейных волн решеткой джозефсоновских вихрей, движущейся под действием приложенного внешнего тока. На ВАХ слоистых структур наблюдались резонансы, вызванные возбуждением мод Свихарта разной поперечной симметрии, и вихревые решетки с одной и двумя вихрями в элементарной ячейке. Резонанс с симметричной модой Свихарта характеризуется сильным электромагнитным излучением, сопровождающим движущуюся решетку. Используя простейшую модель фононной восприимчивости, мы наблюдали ступеньку на ВАХ, вызванную излучением фононной моды движущейся вихревой решеткой. Мы также наблюдали пики на ВАХ, вызванные излучением гибридных мод фонон-мода Свихарта, и выяснили, что высота этих пиков на два порядка больше высоты пика, вызванного излучением чисто фононной моды. Мы обнаружили, что зарядовая связь играет существенную роль в динамике джозефсоновских вихрей в слоистом сверхпроводнике, несмотря на слабость данного вида связи.

Общее заключение

В заключении сформулируем основные результаты настоящей работы.

1. Рассмотрена динамика джозефсоновского вихря в распределенном джозефсоновском контакте с пассивной областью. Показано, что наличие пассивной области приводит к тому, что уравнение, описывающее динамику такой системы, является нелокальным во времени и в пространстве. Путем численного эксперимента показано наличие ступеней на ВАХ рассматриваемой системы, обусловленных наличием черенковского излучения движущегося джозефсоновского вихря. Исследованы зависимости положений и амплитуд данных ступеней от параметров системы.

2. Проведено аналитическое исследование устойчивости прямоугольной решетки джо-зефсоновских вихрей в многослойной структуре из распределенных джозефсонов-ских контактов, электродинамически связанных с замедляющей системой в виде по-лосковой линии. Показано, что устойчивость прямоугольной вихревой решетки достигается при условии, что скорость электромагнитной волны в пассивной области меньше характеристической скорости симметричной свихартовской моды в слоистой структуре.

3. Путем численного эксперимента показано, что при достаточном замедлении электромагнитной волны во внешней полосковой линии происходит спонтанное установление синфазного режима движения джозефсоновских вихрей в многослойной структуре из длинных контактов. Данный режим характеризуется большой амплитудой переменного электромагнитного поля и может быть использован для генерации электромагнитного излучения.

4. Предложена модель гидродинамического типа, описывающая совместно джозефсо-новские вихри и линейные волны любой природы в слоистых сверхпроводниках. Данная модель объединяет описания, предложенные ранее в литературе, и может быть сведена к ним в предельных случаях. Численный расчет, выполненный на основе предложенной модели, продемонстрировал наличие ступеней на ВАХ, связанных с возбуждением волн Свихарта, фононных и гибридных мод решеткой джозефсоновских вихрей, движущейся под действием внешнего тока в слоистом сверхпроводнике.

Список публикаций автора по теме диссертации

Al. Flytzanis N., Lazarides N., Chiginev A. et al. Dynamics of fluxons in narrow window junctions // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 88. P. 4201.

A2. Chiginev A. V., Kurin V. V. Instability of a rectangular vortex lattice in a stack of two long Josephson junctions // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 66. P. 052510.

A3. Chiginev A. V., Kurin V. V. In-phase vortex flow and superradiance in a Josephson superlattice embedded in a waveguide // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70. P. 214523.

A4. Курин В. В., Чигинев А. В. Взаимодействие оптических фононов и джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71. С. 16-20.

А5. Chiginev А. V., Kurin V. V. Interaction between optical phonons and Josephson vortices in layered superconductors // Supercond. Sci. Tech. 2007. Vol. 20. P. S34.

A6. Kurin V. V., Chiginev A. V., Shereshevsky I. A. et al. Superradiation in Josephson superlattice coupled in a slow wave system // 8th International Superconductive Electronics Conference, Osaka, Japan, Extended Abstracts. Osaka, Japan: 2001. — June. Pp. 437-438.

A8. Chiginev A. V., Kurin V. V. Moving vortex lattices in a stack of long Josephson junctions connected with a stripline: theory and simulation // 6th EUCAS book of abstracts (2003). 2003.

A9. Чигинев А. В. Синфазный режим движения джозефсоновских вихрей в многослойной сверхпроводящей структуре, соединенной с полосковой линией // Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» в рамках XII научной школы «Нелинейные волны - 2004». Н. Новгород: 2004. — февраль.

А10. Kurin V. V., Chiginev А. V. Dynamic phase transitions in lattices of Josephson vortices moving in layered superconductors // "Frontiers of Nonlinear Physics", Proceedings of the 2nd International Conference. N. Novgorod-St. Petersburg, Russia: 2004. — July.

All. Курин В. В., Чигинев А. В. Динамика джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках // Труды XIII научной школы «Нелинейные волны - 2006». Н. Новгород: 2006. —хмарт.

А13. Kurin V. V., Chiginev А. V. Role of Optical Phonons in Vortex Dynamics in High-Temperature Superconductors with Intrinsic Josephson Effect // Plasma-2006: 5-th International Symposium on the Intrinsic Josephson Effect in High-Tc superconductors, Programme and Abstracts. London: 2006. — July. Pp. 15-16.

A14. Курин В. В., Чигинев А. В. Влияние оптических фононов на динамику джозефсоновских вихревых решеток в слоистых сверхпроводниках // Труды Второй международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС-06». Звенигород: 2006. — октябрь. С. 176-177.

А18. Курин В. В., Чигинев А. В. Возбуждение линейных волн в слоистых сверхпроводниках движущимися решетками джозефсоновских вихрей // Материалы XIII ежегодного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». Н. Новгород: 2009. — март. С. 157-158.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Чигинев, Александр Валерьевич, Нижний Новгород

1. Бароне А., Патерно Д. Эффект Джозефсона: физика и применения, пер. с англ. Москва, Мир, 1984.

2. Лихарев К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. Москва, 1985.

3. Ozyuzer L., Koshelev А. Е., Kurter С. et al. Emission of Coherent THz Radiation from Superconductors // Science. 2007. Vol. 318. P. 1291.

4. McLaughlin D. W., Scott A. C. Perturbation analysis of fluxon dynamics // Phys. Rev. A. 1978. Vol. 18. P. 1652.

5. Kleiner R., Steinmeyer F., Kunkel G., Mtiller P. Intrinsic Josephson effects in Bi2Sr2CaCu208 single crystals // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68. P. 2394.

6. Kleiner R., Muller P. Intrinsic Josephson effects in high-Tc superconductors // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 49. P. 1327.

7. Sakai S., Bodin P., Pedersen N. F. Fluxons in thin-film superconductor-insulator superlat-tices // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 73. P. 2411.

8. Bulaevskii L. N., Zamora M., Baeriswyl D. et al. Time-dependent equations for phase differences and a collective mode in Josephson-coupled layered superconductors // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. P. 12831.

9. Pedersen N. F., Ustinov A. V. Fluxons in Josephson transmission lines: new developments // Supercond. Sci. Tech. 1995. Vol. 8. P. 389.

10. Ustinov A. V. Josephson vortex dynamics in layered structures // NATO Science Series E. 1999. Vol. 356. P. 465.

11. Sakai S., Ustinov A. V., Kohlstedt H. et al. Theory and experiment on electromagnetic-wave-propagation velocities in stacked superconducting tunnel structures // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. P. 12905.

12. Volkov A. F., Glen V. A. Dynamics of fluxon lattice in two coupled Josephson junctions // J. Phys.: Condens. Matter. 1998. Vol. 10. P. L563.

13. Koshelev A. E., Aranson I. S. Resonances, Instabilities, and Structure Selection of Driven Josephson Lattice in Layered Superconductors // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 85. P. 3938.

14. Koshelev A. E., Aranson I. Dynamic structure selection and instabilities of driven Josephson lattice in high-temperatiire superconductors // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 64. P. 174508.

15. Koyama Т., Tachiki M. I-V characteristics of Josephson-coupled layered superconductors with longitudinal plasma excitations // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54. P. 16183.

16. Ju H. Kim, Pokharel J. Collective Josephson vortex dynamics in long Josephson junction stacks // Physica C. 2003. Vol. 384. P. 425.

17. Machida M., Sakai S. Unified theory for magnetic and electric field coupling in multistacked Josephson junctions // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70. P. 144520.

18. Ryndyk D. A. Quasiparticle dynamics and phase locking in a S-I-S multilayer Josephson junction // Письма в ЖЭТФ. 1997. Vol. 65. P. 755.

19. Ryndyk D. A. Collective Dynamics of Intrinsic Josephson Junctions in High-Tc Superconductors // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80. P. 3376.

20. Рындык Д. А. Неравновесный эффект Джозефсона в системах туннельных сверхпроводниковых контактов и в слоистых сверхпроводниках // ЖЭТФ. 1999. Т. 116. С. 1798.

21. Ryndyk D. A., Pozdnjakova V. I., Shereshevskii I. A., Vdovicheva N. К. Dynamics and transformations of the Josephson vortex lattice in layered superconductors // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 64. P. 052508.

22. Koshelev A. E. Role of in-plane dissipation in dynamics of a Josephson vortex lattice in high-temperature superconductors // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62. P. R3616.

23. Yu. I. Latyshev, Koshelev A. E., Pavlenko V. N. et al. Novel features of Josephson flux flow in Bi-2212: contribution of in-plane dissipation, coherent response to mm-wave radiation, size eff // Physica C. 2002. Vol. 367. P. 365.

24. Mints R. G., Snapiro I. B. Josephson-vortex Cherenkov radiation // Phys. Rev. B. 1995. Vol. 52. Pp. 9691-9696.

25. Kurin V. V., Yulin A. V. Radiation of linear waves by solitons in a Josephson transmission line with dispersion // Phys. Rev. B. 1997. Vol. 55. Pp. 11659-11669.

26. Kivshar Y. S., Malomed B. A. Dynamics of fluxons in a system of coupled Josephson junctions // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37. Pp. 9325-9330.

27. Goldobin E., Wallraf A., Thyssen N., Ustinov A. V. Cherenkov radiation in coupled long Josephson junctions // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 57. P. 130.

28. Goldobin E., Wallraf A., Ustinov A. V. Cherenkov Radiation from Fluxon in a Stack of Coupled Long Josephson Junctions //J. Low Temp. Phys. 2000. Vol. 119. P. 589.

29. Kurin V. V., Yulin A. V., Shereshevsky I. A., Vdovicheva N. K. Cherenkov Radiation of Vortices in a Two-Dimensional Annular Josephson Junction // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80. Pp. 3372-3375.

30. Ustinov A. V., Cirillo M., Malomed B. A., Kivshar Y. S. Fluxon motion in one-dimensional Josephson junction arrays // Physica B: Condensed Matter. 1994. Vol. 194-196. P. 1765.

31. Caputo J. G., Flytzanis N., Devoret M. Dressed fluxon in a Josephson window junction // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. P. 6471.

32. Caputo J. G., Flytzanis N., Vavalis E. Effect of geometry on fluxon width in a Josephson junction // Int. J. Mod. Phys. C. 1996. Vol. 7. Pp. 191-216.

33. Eilbeck J. C., Lomdahl P. S., Olsen O. H., Samuelsen M. R. Comparison between one-dimensional and two-dimensional models for Josephson junctions of overlap type // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 57. P. 861.

34. Celli V., Flytzanis N. Motion of a Screw Dislocation in a Crystal //J. Appl. Phys. 1970. Vol. 41. P. 4443.

35. Peyrard M., Kruskal M. D. Kink dynamics in the highly discrete sine-Gordon system // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1984. Vol. 14. P. 88.

36. Lee G. S. Analysis of linear resonances in modern Josephson geometries // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1991. Vol. 1. P. 121.

37. Monaco R., Costabile G., Martucciello N. Influence of the idle region on the dynamic properties of window Josephson tunnel junctions ■// J. Appl. Phys. 1995. Vol. 77. P. 2073.

38. Thyssen N., Ustinov A. V., Kohlstedt H. et al. // Proceedings of the International Conference on Nonlinear Superconducting Devices and High-Tc Materials / Ed. by R. D. Parmen-tier, N. F. Pedersen. Singapore: World Scientific, 1994.

39. Flytzanis N. // Nonlinear Structure and Dynamics in Condensed Matter / Ed. by A. Bishop, T. Schneider. New York: Springer, 1980. P. 166.

40. Kohlstedt H., Hallmanns G., Nevirkovets I. P. et al. Preparation and properties of Nb/Al-AlOjNb multilayers // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1993. Vol. 3. P. 2197.

41. Lee G. S., Barfknetcht A. Geometric and material dispersion in Josephson transmission lines // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1992. Vol. 2. P. 67.

42. Hechtfischer G., Kleiner R., Schlenga K. et al. Collective motion of Josephson vortices in intrinsic Josephson junctions in Bi2Sr2CaCu208+y // Phys. Rev. B. 1997. Vol. 55. P. 14638.

43. Karlson R. V., Goldman A. M. Propagating Order-Parameter Collective Modes in Superconducting Films // Phys. Rev. Lett. 1975. Vol. 34. P. 11.

44. Пономарев Я. Г. Туннельная и андреевская спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников // УФН. 2002. Т. 172. С. 705.

45. Mochan W. L., del Castillo-Mussot М., Barrera R. G. Effect of plasma waves on the optical properties of metal-insulator superlattices // Phys. Rev. B. 1987. Vol. 35. P. 1088.

46. Helm C., Preis C., Forsthofer F. et al. Coupling between Phonons and Intrinsic Josephson Oscillations in Cuprate Superconductors // Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 79. P. 737.

47. Helm C., Preis C., Walter C., Keller J. Theory for the coupling between longitudinal phonons and intrinsic Josephson oscillations in layered superconductors // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62. P. 6002.

48. Maksimov E. G., Arseyev P. I., Maslova N. S. Phonon assisted tunneling in Josephson junctions // Solid State Comm. 1999. Vol. 111. P. 391.

49. Иванченко Ю. М., Медведев Ю. В. Возбуждение звука в джозефсоновском контакте // ЖЭТФ. 1971. Т. 60. С. 2274.

50. Blatter G., Feigel'man М. V., Geshkenbein V. В. et al. Vortices in high-temperature superconductors // Rev. of Mod. Phys. 1994. Vol. 66. P. 1125.

51. Займан Д. Принципы теории твердого тела. Мир, Москва, 1974.

52. Prade J., Kulkarni A. D., de Wette F. W. et al. Calculation of Raman- and infrared-active modes of BiaSraCaCuaOg // Phys. Rev. B. 1989. Vol. 39. P. 2771.

53. Садовский M. В. Высокотемпературная сверхпроводимость в слоистых соединениях на основе железа // УФН. 2008. Т. 178. С. 1243.

54. Ивановский A. JI. Новые высокотемпературные сверхпроводники на основе оксиарсе-нидов редкоземельных и переходных металлов и родственных фаз: синтез, свойства и моделирование // УФН. 2008. Т. 178. С. 1273.

55. Изюмов Ю. А., Курмаев Э. 3. Новый класс высокотемпературных сверхпроводников в FeAs-систвмах // УФН. 2008. Т. 178. С. 1307.

56. Lebwohl P., Stephen М. Л. Properties of Vortex Lines in Superconducting Barriers // Phys. Rev. 1967. Vol. 163. P. 376.

57. Kovaleva N. N., Boris A. V., Holden T. et al. c-axis lattice dynamics in Bi-based cuprate superconductors // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 69. P. 054511.

58. Petraglia A., Ustinov A. V., Pedersen N. F., Sakai S. Numerical study of fluxon dynamics in a system of two-stacked Josephson junctions //J. Appl. Phys. 1995. Vol. 77. P. 1171.