Влияние плазменных колебаний на электронный транспорт в слоистых сверхпроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Введение

1 Обзор литературы и решаемые проблемы

1.1 Плазменные колебания сверхпроводящих электронов.

1.2 Вихри в высокотемпературных сверхпроводниках.

1.3 Флуктуации фазы параметра порядка.

1.4 Сопротивление при больших напряжениях или частотах.

1.5 Особенности структуры спектральной плотности сверхпроводящих электронов.

2 Движение решетки джозефсоновских вихрей

2.1 Постановка задачи.

2.1.1 Градиентно-инвариантные потенциалы.

2.1.2 Выражения для плотности тока и заряда.

2.2 Динамика джозефсоновских вихрей.

2.2.1 Решение для слабого магнитного поля.

2.2.2 Решение для сильного магнитного поля.

2.3 Коллективные моды и устойчивость вихревой решетки.

2.3.1 Случай сильного магнитного поля.

2.3.2 Случай слабого магнитного поля

2.4 Вычисление ВАХ.

2.5 Излучение решеткой вихрей.

2.6 Деформация движущейся вихревой решетки

Оглавление

3 Влияние равновесных флуктуаций на плотность сверхпроводящих электронов

3.1 Постановка задачи и ее решение.

Актуальность темы

Хотя прошло уже 15 лет после открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [1], до сих пор остаются нерешенными многие вопросы, важные для понимания особенностей физики электронного транспорта в этих веществах. В частности, все еще нет достаточно ясного понимания ряда особенностей, обусловленных влиянием низкочастотной слабо затухающей моды — джозефсоновской плазменной моды, возникающей в ВТСП вследствие слоистой структуры этих веществ [2, 3].

Так, характерным отличием ВТСП от обычных изотропных сверхпроводников является наблюдаемая при низких температурах линейная температурная зависимость плотности сверхпроводящих электронов, которая, в свою очередь, определяет глубину проникновения магнитного поля в сверхпроводник [4, 5]. Принято считать, что такая температурная зависимость свидетельствует о наличии узлов у параметра порядка (см, например, работу Дж. Аннетт, Н. Голденфельда и С. Р. Ренн [6]). Однако, в последнее время появились работы, в которых эта температурная зависимость объясняется подавлением плотности сверхпроводящих электронов тепловыми флуктуациями фазы параметра порядка [7, 8]. Поэтому возникает необходимость более детального исследования флуктуаций фазы параметра порядка, которые тесно связаны с джозефсоновской плазменной модой.

Еще одна проблема, не имеющая общепринятого теоретического объяснения, — это механизм проводимости слоистых сверхпроводников в перпендикулярном проводящим слоям направлении на больших частотах (а; > h/т, где г — время релаксации импульса) [9, 10, 11] или больших напряжениях, когда напряжение на одном слое V > fi/er [12], а также связь проводимости с наблюдаемыми особенностями спек

Введение тральной плотности электронов в кристаллах ВТСП (см., например, работы [13, 14], в которых исследованы особенности спектральной плотности электронов в кристаллах Bi2Sr2CaCu208+5). Для решения этой проблемы требуется изучение взаимодействия электронов с низкочастотными коллективными модами.

До сих пор остаются не до конца исследованными многие вопросы динамики джозефсоновских вихрей, движущихся под действием транспортного тока, и роль взаимодействия вихрей с джозефсоновскими плазменными колебаниями. Изучение движения джозефсоновских вихрей необходимо не только для понимания особенностей физики резистивного состояния в ВТСП, но и представляет интерес в связи с перспективностью практического применения ВТСП, в частности, при создании генераторов и приемников высокочастотного излучения.

Рассмотрение этих вопросов обуславливает актуальность темы данной диссертации.

Цель работы

Цель диссертационной работы заключается в описании особенностей электронного транспорта в слоистых сверхпроводниках, обусловленных квазидвумерным характером этих веществ и, в частности, наличием в них низкочастотной слабо затухающей плазменной моды.

Научная новизна работы

Научную новизну работы составляют следующие оригинальные результаты, выносимые на защиту:

1. Построена теория, описывающая движение решетки джозефсоновских вихрей под действием транспортного тока, текущего в направлении, перпендикулярном проводящим слоям. Решена задача об устойчивости движения решетки джозефсоновских вихрей как целого в двух предельных случаях — сильного и слабого магнитного поля. Установлено, что, при скоростях движения вихревой решетки меньше критической, устойчивой является только центрированная прямоугольная решетка, то есть решетка, в которой соседние ряды вихрей сдвинуты друг

Введение относительно друга на половину периода решетки. При больших скоростях движения вихревые решетки с одним вихрем в элементарной ячейке являются неустойчивыми.

Найдена зависимость скорости движения вихревой решетки от величины транспортного тока в направлении поперек слоев, а так же вычислена вольт-амперная характеристика для тока, текущего в направлении поперек слоев.

2. Вычислена мощность электромагнитного излучения, создаваемого движущейся решеткой джозефсоновских вихрей. Определены условия, при которых максимум излучения соответствует устойчивому движению вихревой решетки.

3. Вычислена перенормировка плотности сверхпроводящих электронов за счет тепловых и квантовых флуктуаций фазы параметра порядка в слоистом сверхпроводнике. Показано, что наблюдаемая при низких температурах линейная температурная зависимость величины плотности сверхпроводящих электронов не может быть объяснена равновесными флуктуациями фазы параметра порядка.

Вычислена спектральная плотность флуктуаций напряжения в слоистом сверхпроводнике в направлении поперек слоев.

4. Вычислено влияние взаимодействия электронов с низкочастотной плазменной модой на электронную спектральную плотность в слоистых металлах, а так же предложен механизм возникновения диссипации, приводящей к конечной проводимости при больших частотах или напряжениях.

Теоретическая и практическая ценность

В диссертационной работе объяснен ряд особенностей высокотемпературных сверхпроводников, обусловленных их квазидвумерной структурой и наличием в таких веществах джозефсоновской плазменной моды. Полученные результаты позволили дать качественное объяснение ряду экспериментальных зависимостей, таких как вид вольт-амперных характеристик в резистивном состоянии, особенностям в спектральной плотности электронов, а так же позволили предсказать вид спектра излучения из большого образца. Все это определяет научную ценность диссертации.

Введение

Результаты, полученные в данной диссертационной работе имеют также практическую значимость, поскольку проясняют физические закономерности, понимание которых необходимо для разработки принципов построения приборов сверхпроводящей электроники, например, приемников и генераторов электромагнитного излучения, основанных на движении решетки джозефсоновских вихрей.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Института радиотехники и электроники РАН и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, Int. Symposium on "Internal Josephson effect and plasma oscillations in high-Tc superconductors", (Sendai, Japan, 2000), International Workshop on Electronic Crystals (France (Provence), 1999), конкурсе работ молодых ученых ИРЭ РАН (2001).

Работа выполнена при поддержке

Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты "нестационарные и нелинейные диссипативные явления в слоистых сверхпроводниках"№98-02-17221, "теоретическое исследование неравновесного электронного транспорта в слоистых сверхпроводниках"№01-02-17527), Российской государственной программы по сверхпроводимости (грант 96053).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в одной статье в журнале Physical Review Letters, в одной статье в журнале lournale de Physique IV (Colloques), в двух статьях в журнале Physica С, в одной статье в журнале Письма в ЖЭТФ и трех тезисах международных конференций.

Введение

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы (92 наименования). Содержит 15 рисунков и занимает объем 89 страниц.

Основные результаты диссертации:

1. В пределе сильного и слабого магнитного поля получен спектр коллективных колебаний и изучена устойчивость решетки джозефсоновских вихрей, движущихся под действием силы Лоренца со стороны транспортного тока, текущего перпендикулярно слоям. Показано, что при скоростях движения меньше критической из всех простых решеток устойчивой является только центрированная прямоугольная решетка. Показано, что при больших скоростях простые решетки с одним квантом магнитного потока в элементарной ячейке являются неустойчивыми. Для решетки джозефсоновских вихрей, движущихся в полубесконечном образце, вычислена мощность излучения. Определены условия, при которых в спектре излучения существует максимум, соответствующий джозефсоновской частоте. Этот максимум может быть обнаружен в достаточно сильном магнитном поле, когда скорость вихрей, соответствующая джозефсоновской частоте, попадет в диапазон устойчивого движения вихревой решетки.

2. Вычислено подавление сверхпроводящего тока из-за флуктуаций фазы параметра порядка. При этом использован полуфеноменологический подход, основанный на флуктуационно-диссипационной теореме, что делает полученные результаты общими для всех слоистых сверхпроводников независимо от конкретного механизма сверхпроводимости. Показано, что только тепловыми флукту-ациями нельзя объяснить линейную низкотемпературную зависимость плотности сверхпроводящих электронов в ВТСП. Показано также, что квантовые флуктуации преобладают над тепловыми при низких температурах. При температурах близких к Тс тепловые флуктуации становятся большими и сильнее подавляют критический ток в перпендикулярном слоям направлении, чем в направлении, параллельном слоям, что может быть обнаружено экспериментально. Флуктуации разбаланса заселенностей квазичастичных ветвей спектра делают отличными от нуля флуктуации напряжения на малых частотах, что находится в противоречии с тем, что ожидается из "наивной"интерпретации формулы Найквиста. Однако, в этом нет никакого противоречия, поскольку указанный ненулевой вклад в проводимость дают области сверхпроводника, лежащие вблизи его поверхности, а толщина этих областей определяется глубиной проникновения электрического поля, при этом, объемное сопротивление образца стремится к нулю при уменьшении частоты, как этого и следовало ожидать.

3. Показано, что взаимодействие электронов с сильно анизотропными плазменными колебаниями приводит к некогерентному вкладу в спектральную плотность электронов, неисчезающему вплоть до энергий, далеких от поверхности Ферми. В сверхпроводящем состоянии это дает особенность пик-провал-горб (peak-dip-hump structure), похожую на наблюдаемую в слоистых высокотемпературных сверхпроводниках. Некогерентная часть спектральной плотности и электронные переходы с участием плазмонов создают два механизма возникновения конечной проводимости в поперечном направлении при больших напряжениях или частотах.

Заключение

1. J.G. Bednorz, К. A. Muller Z. Phys., 64, 189 (1986).

2. Т. Mishonov, Phys. Rev. В 44, 12033 (1991).

3. К. Tamasaku, У. Nakomura, and S. Ushida, Phys. Rev. Lett. 69, 1455 (1992).

4. W.N. Hardy, D. A. Bonn, D. C. Morgan, R. Liang, and K. Zhang, Phys. Rev. Lett. 70, 3999 (1993).

5. C. Panagopoulos, J. R. Cooper and T. Xiang, Phys. Rev. В 57, 13422 (1998).

6. J. Annett, N. Goldenfeld, and S. R. Renn, Phys. Rev. B, 43, 2778 (1991).

7. E. Roddik and D. Stoud, Phys. Rev. Lett. 74, 1430 (1995).

8. E. W. Carlson, S.A. Kivelson, V.J. Emery and E. Manousakis, Phys. Rev. Lett. 83, 612 (1999).

9. Yu. I. Latyshev, T. Yamashita, L.N. Bulaevskii, M.J. Graf, A.V. Balatsky, M.P. Maley, Phys. Rev. Lett. 82, 5345 (1999).

10. R. Kleiner and P. Muller, Phys. Rev. В 57, 14518 (1998).

11. V. M. Krasnov, A. Yurgens, D. Winkler, P. Delsing, and T. Claeson, Phys. Rev. Lett. 84, 5860 (2000).

12. S. Tajima, J. Schiitzmann, S. Miyamoto, I. Terasaki, Y. Sato, and R. Hauff, Phys. Rev. B, 55, 6051 (1997).

13. D.S. Dessau, Z.-X. Shen, D.M. King, D.S. Marshall, L. W. Lombardo, P. H. Dickinson, A.G. Loeser, J. DiCarlo, C.-H Park, A. Kapitulnik, and W. E. Spicer, Phys. Rev. Lett. 71, 2781 (1993).

14. Н. Ding, A.F. Bellman, J. С. Campuzano, М. Randeria, М. R. Norman, Т. Yokoya, Т. Takahashi, H. Katayama-Yoshida, Т. Mochiku, К. Kadowaki, G. Jennings, and G. P. Brivio, Phys. Rev. Lett. 76, 1533 (1996).

15. G. Hechtfisher, R. Kleiner, A. V. Ustinov, and P. Muller, Phys. Rev. Lett, 79, 1365 (1997).

16. J.U. Lee, P. Guptasarma, D. Horbaker, A. El-Kortas, D. Hinks, and К. E. Gray, Appl. Phys. Lett. 71, 1412 (1997).

17. T. Koyama and M. Tachiki, Solid State Communications 96, 367 (1995).

18. С. H. Артеменко, А. Г. Кобельков, Письма в ЖЭТФ, 65, 311 (1997).

19. S.N. Artemenko, L.N. Bulaevskii, M. P. Maley, and V. M. Vinokur, Phys. Rev. В 59, 11587 (1999).

20. D.E. Farrel, S. Bonham, J. Foster, Y. C. Chang, P. Z. Jiang, K. G. Vandervoort, D.J. Lam, and Y. G. Kogan, Phys. Rev. Lett. 63, 782 (1989).

21. R. Kleiner and P. Muller, Phys. Rev. B, 49, 1327 (1994).

22. S. Martin, A. T. Fiory, R.M. Fleming, G.P. Espinosa, and A.S. Cooper, Appl. Phys. Lett. 54, 72 (1989).

23. N. Niicker, H. Romberg, S. Nakai, B. Scheerer, J. Fink, Y. F. Yan, and Z. X. Zhao, Phys. Rev. Lett. 63, 1008 (1989).

24. M. Gurvitch, J.M. Valles, Jr., A.M. Cucolo, R.C. Dynes, J. P. Garno, L.F. Schneemeyer, and J. V. Waszczak, Phys. Rev. Lett. 63, 1008 (1989).

25. А. А. Абрикосов, ЖЭТФ 32, 1441 (1957).

26. Л. П. Горьков, Н.Б. Копнин, УФН 116, 413 (1975).

27. Y.B. Kim, S.F. Hempstead, A. R. Strand, Phys. Rev. Lett. 14, 1163 (1965).

28. L.N. Bulaevskii, Успехи физ. наук 116, 449 (1975).

29. L.N. Bulaevskii and John R. Clem, Phys. Rev. В 44, 10234 (1991).

30. Глава 4. Влияние кулоновского взаимодействия на спектральную плотность.

31. V.M.Krasnov, V.A.Oboznov, V. V.Ryazanov, N.Mros, A.Yurgens, and D.Winkler, Phys. Rev. В 61, 766 (2000).

32. L.S. Levitov, Phys. Rev. Lett. 66, 224 (1991).

33. A. F. Volkov, Physica С 183, 177 (1991).

34. G. Hechtfischer, R. Kleiner, K. Schlenga, W. Walkenhorst, and P. Miiller Phys. Rev. В 55, 14638 (1996).

35. Yu.I. Latyshev, P. Monceau, V.N. Pavlenko, Physica С 293, 174 (1997).

36. C.H. Артеменко, А. Г. Кобельков, Письма в ЖЭТФ 58, 435 (1993) JETP Lett. 58, 445 (1993)].

37. М. Tachiki, Т. Koyama, and S. Takahashi, Phys. Rev. B, 50, 7065 (1994).

38. L.N. Bulaevskii, M. Zamora, D. Baeriswyl, H. Beck, J. R. Clem, Phys. Rev. В 50, 12831 (1994).

39. S.N. Artemenko and S. V. Remizov, JETP Lett., Vol. 66, 811 (1997).

40. A. F. Volkov and Glen, J.Phys.: Condens. Matter 10, 563 (1998).

41. A. E. Koshelev and I. S. Aranson, Phys. Rev. Lett. 85 3978 (2000).

42. A. E. Koshelev and I. S. Aranson, Phys. Rev. В 64, 174508 (2001).

43. S.N. Artemenko, S. V. Remizov, Int. Symposium on "Internal Josephson effect and plasma oscillations in high-Tc superconductors", Aug. 2000.

44. P. G. de Gennes, Superconductivity of Metals and Alloys, W. A. Benjamin, INC, New York-Amsterdam (1966).

45. Ю. H. Овчинников, ЖЭТФ 115, 726 (1999).

46. Leon Balents and Matthew P. A. Fisher, Phys. Rev. Lett. 75, 4270 (1995).

47. Leon Balents, M. Cristina Marchetti, Leo Radzihovsky, Phys. Rev. В 57, 7705 (1998).

48. Т. Giamarchi and P. Le Doussal, Phys. Rev. Lett. 76, 3408 (1996).

49. T. Giamarchi and P. Le Doussal, Phys. Rev. В 57, 11356 (1998).

50. Lee-Wen Chen, Leon Balents, Matthew P. A. Fisher , M. Cristina Marchetti, Phys. Rev. В 54, 12798 (1996).

51. S. N. Artemenko, S. V. Zaitsev-Zotov, V. E. Minakova, and P. Monceau, Phys. Rev. Lett. 84, 5184 (2000).

52. A.J. Millise* al„ J. Phys. Chem. Solids59 1742 (1998).

53. S. N. Artemenko, S. V. Remizov, Int. Symposium on "Internal Josephson effect and plasma oscillations in high-Tc superconductors", Aug. 2000.

54. Arun Paramekanti, Mohit Randeria, T.V. Ramakrishnan, and S.S. Mandal, Phys. Rev. В 62, 6786 (2000).

55. S.N. Artemenko, S. V. Remizov, Phys. Rev. Lett. 86 708 (2001).

56. M. Suzuki, T. Watanabe, and A. Matsuda, Phys. Rev. Lett. 82, 5361 (1999).

57. B. Ruzicka, L. Degiorgi, H. Berger, R. Gaal, and L. Forro, Phys. Rev. Lett. 86, 4136 (2001).

58. M. R. Norman, H. Ding, M. Randeria, J.C. Campuzano, T. Yokoya, T. Takeuchi, T. Takahashi, T. Mochiku, K. Kadowaki, P. Guptasarma, D.G. Hinks, Nature 392, 157 (1998).

59. A. Kaminski, M. Randeria, J. C. Campuzano, M.R. Norman, H. Fretwell, J. Mesot, T. Sato, T. Takahashi, K. Kadowaki, Phys. Rev. Lett. 86, 1070 (2001).

60. M. Lindroos, S. Sahrakorpi, and A. Bansil, Phys. Rev. В 65, 054514 (2002); cond-mat/0109039 (2001).

61. M. R. Norman, H. Ding, J. C. Campuzano, T. Takeuchi, M. Randeria, T. Yokoya, T. Takahashi, T. Mochiku, and K. Kadowaki, Phys. Rev. Lett. 79, 3506 (1997).

62. Qiang Huang, J.F. Zasadzinski, К. E. Gray, J. Z. Liu, and H. Claus, Phys. Rev. B, 40, 9366 (1989).

63. Глава 4. Влияние кулоновского взаимодействия на спектральную плотность.

64. L.B. Ioffe and A.J. Millis, Phys. Rev. B, 61, 9077 (2000).

65. M. R. Norman, H. Ding, Phys. Rev. B, 57, R11093(1998).

66. M. Eschrig, M.R. Norman, Phys. Rev. Lett. 85, 3261 (2000).

67. T. Mishonov, Phys. Rev. B, 50, 4004 (1994);

68. Ophelia К. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).

69. Y. Matsuda, M.B. Gaifullin, K. Kumagai, K. Kadowaki, T. Mochiku, Phys. Rev. Lett. 75, 4512 (1995).

70. M. Tinkham, Introduction to Superconductivity McGrow-Hill, New York (1996).

71. S.N. Artemenko, A. G. Kobel'kov, Phys. Rev. Lett. 78, 3551 (1997).

72. S.N. Artemenko, A. G. Kobel'kov, Physica C, 293, 268 (1997).

73. D.A. Wollman, D.J. Van Harlingen, W. C. Lee, D.M. Ginsberg, and A.J. Legget Phys. Rev. Lett. 71, 2134 (1993).

74. T. Yokoya, T. Takahashi, T. Mochiku, and K. Kadowaki Phys. Rev. В 53, 14055 (1996).

75. S.N. Artemenko and A. G. Kobel'kov, Phys. Rev. B, 55, 9094 (1997).

76. S.N. Artemenko, A. F. Volkov, Uspekhi Fiz. Nauk 128, 3 (1979) Sov. Phys. Usp. 22, 295 (1979)].

77. S.N. Artemenko and A. G. Kobel'kov, Physica С 253, 373 (1995).

78. S.N. Artemenko and A. G. Kobelkov, Phys. Rev. В 55, 9094 (1997).

79. S. Aubry and P.J.Le Daeron, Physica D 7, 240 (1983).

80. S. Aubry, Journal of Physics C, 16, 2497 (1983).

81. A. F. Volkov, Physica C, 192, 306 (1992).

82. B.B. Шмидт, Введение в физику сверхпроводников, М.:МЦНМО, 2000.

83. Глава 4. Влияние кулоновского взаимодействия на спектральную плотность.

84. L. D. Landau and Е.М. Lifshits, Statistical Physics (Nauka, Moscow, 1976).

85. A. G. Aronov, V. L. Gurevich, Fiz. Tverd. Tela 16, 2656 (1974).

86. Ophelia К. C. Tsui, N. P. Ong, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 76, 819 (1996).

87. S. N. Artemenko, A. F. Volkov, JETP 69, 1764 (1975).

88. P. L. Carlson and A.M. Goldman, Phys. Rev. Lett. 34, 11 (1975).

89. A. Schmid and G. Schon, Phys. Rev. Lett. 34, 941 (1975).

90. Hyok-Jon К won, Alan T. Dorsey, and P.J. Hirschfeld, Phys. Rev. Lett. 86, 3875 (2001).

91. Yu.M. Ivanchenko, L. A. Zil'berman, JETP 55, 2395 (1968).

92. V. Ambegaokar, B.I. Halperin, Phys. Rev. Lett. 22, 1364 (1969).

93. V.N. Zverev, D. V. Shovkun and I. G. Naumenko, JETP Letters. 68, 309 (1998).

94. C.H. Артеменко, Письма в ЖЭТФ 70, 526 (1999).

95. O.K. Andersen, A.I. Liechtenstein, O. Jepsen et al., J. Phys. Chem. Solids 56, 1573 (1996).

96. Список работ, опубликованных по теме диссертации

97. А1. С. Н. Артеменко, С. В. Ремизов. Возбуждение плазменных колебаний при движении джозефсоновских вихрей в слоистых сверхпроводниках//Письма в ЖЭТФ, 66, 811, 1997.

98. А2. S.N. Artemenko, S.V. Remizov. Collective modes and radiation from gliding Josephson vortex lattice in layered superconductors // Journale de Physique IV (Colloques), 9 PrlO-299 (1999).

99. A3. S. N. Artemenko, S. V. Remizov. Effect of Equilibrium Fluctuations on Superfluid Density in Layered Superconductors // Phys. Rev. Lett. 86, 708 (2001).

100. A4. S.N. Artemenko, S.V. Remizov. Stability, collective modes and radiation from sliding Josephson vortex lattice in layered superconductors // S. N. Artemenko, S.V.Remizov. Physica С 362 (1-4) (2001) pp. 200-204.

101. A5. S.N. Artemenko, S.V.Remizov. On effect of quantum and thermal fluctuations on superfluid density in layered superconductors //Physica С 362 (1-4) (2001) pp. 10-15.

102. A6. C.H. Артеменко, С. В. Ремизов. Влияние кулоновского взаимодействия на спектральную плотность электронов и поперечную проводимость слоистых металлов // Письма в ЖЭТФ, 74, 430-434 (2001).

103. А7. S.N. Artemenko, S.V. Remizov. Collective modes and radiation from gliding Josephson vortex lattice in layered superconductors // International Workshop on Electronic Crystals, May 31 June 5, 1999, France (Provence).