高温超伝導体における固有ジョセフソン効果と集団励起の理論的研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11640332
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小山 富男 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (30153696)
• Keywords: 酸化物高温超伝導体 / 固有ジョセフソン効果 / ジョセフソンプラズマ / 電流・電圧特性

Research Abstract

銅酸化物高温超伝導体は、超伝導層(CuO2)間の結合が極めて弱いため、単結晶試料でもジョセフソン効果を示す(固有ジョセフソン効果)。このため、高温超伝導体のc軸方向の超伝導特性は、1次元ジョセフソン接合列モデルに基づいて理解できる。ただし、固有ジョセフソン接合列(高温超伝導体)の場合、超伝導層が1原子層でできているため、電場が発生する交流ジョセフソン効果では超伝導層の電気的中性条件が破られる。この効果により、固有ジョセフソン接合列は、従来型のジョセフソン接合列系とは本質的に異なるc軸電荷ダイナミクスを示す。本研究では、このような1次元固有ジョセフソン接合列モデルの集団励起(ジョセフソンプラズマ)とc軸方向の超伝導電荷ダイナミクスに対する理論的研究を行った。集団励起に関しては、超伝導トンネル接合列を用いた微視的量子論を構築し、ジョセフソンプラズマに対する完全な粒子論的定式化を与えた。この理論により、プラズマ振動数の温度変化に対する準粒子の寄与を明らかにした。特に、プラズマ振動数が温度の上昇とともに減少し超伝導転移温度で0になるか、あるいは、有限の振動数を持ち正常状態のプラズマに連続的に繋がるかを分ける条件を解明した。マイクロ波共鳴吸収で観測されるBi系のジョセフソンプラズマの温度変化は、準粒子のトンネル過程がインコヒーレントであることが必要である。また、Bi系の髭結晶で観測された単一クーパー対トンネル効果を記述する現象論的量子論を建設した。この理論により、多重ブランチ構造を示すc軸の電流-電圧特性、縦ジョセフソンプラズマ、及び、単一クーパー対トンネル等の銅酸化物高温超伝導体のc軸電荷ダイナミクスを統一的に理解することが可能になった。

Research Products

• [Publications] T.Koyama: "Quantum Theory for the Longitudinal Josephson Plasma in High-T_c Superconductors : QED in 1D Josephson Junction Array"J. Phys. Soc. Jpn.. 68. 2010-2018 (1999)
• [Publications] H.Matsumoto: "Simulation of I-V Hysteresis Branches in an Intrinsic Stack of Josephson Junctions"Phys. Rev. B. 60. 3666-3672 (1999)
• [Publications] T.Koyama: "Quantum Theory for the Transverse Josephson Plasma in High-T_c Superconductors"J. Phys. Soc. Jpn.. 68. 3062-3068 (1999)
• [Publications] M.Machida: "Dynamical Breaking of the Charge Neutrality in Intrinsic Josephson Junctions : Common Origin for Microwave Resonant Absorption and Multiple-"Phy. Rev.Lett. 83. 4618-4621 (1999)
• [Publications] H.Matsumoto: "Voltage-biased I-V Characteristics in the Multi-Josephson Junction Model of High T_c Superconductors"Phys. Rev. B. 61. 3707-3710 (2000)
• [Publications] M.Machida: "Collective Josephson Vortex Dynamics Interacting with Transverse Josephson Plasma Modes in Intrinsic Josephson Junctions"Physica B. (発表予定). (2000)
• [Publications] H.Matsumoto: "Anomalous Voltage-biased I-V Characteristics in High T_c Superconductors"Physica B. (発表予定). (2000)
• [Publications] T.Koyama: "Dielectric Function and the Josephson Plasma in High-T_c Superconductors"Physica B. (発表予定). (2000)
• [Publications] S.Sakamoto: "Frequency Characteristics of Multiple Josephson Junctions"Physica B. (発表予定). (2000)
• [Publications] M.Machida: "Collective Dynamics of Josephson Vortices in Intrinsic Josephson Junction : Exploration of In-phase Locked Superradiant Vortex Flow States"Physica C. (発表予定). (2000)
• [Publications] M.Machida: "Theory of the Superconducting Phase and Charge Dynamics in Intrinsic Josephson-Junction Systems : Microscopic Foundation for Longitudinal"Physica C. (発表予定). (2000)
• [Publications] M.Tachiki: "Josephson Vortex Flow States and Josephson Plasma Excitation in High-T_c Superconductors"Physica C. (発表予定). (2000)