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酸化物高温超伝導体は、超伝導が発現するCuO2層の間の結合が弱いため、単結晶試料でもジョセフソン効果が現れる(固有ジョセフソン効果)。このため強い異方性を示す高温超伝導体の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、高温超伝導体の固有ジョセフソン接合列の場合、超伝導層が1原子層でできているため、層間に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では、従来型のジョセフソン接合列とは本質的に異なるc軸電荷ダイナミクスが現れる。本年度は、酸化物高温超伝導体の微小単結晶で最近実験的に観測されたクーロンブロッケード効果の理論の建設を中心に研究を行った。高温超伝導体単結晶をメサ型ないしホイスカー型の形状に加工することにより、ab面が種々の面積を持つ微小な試料が作成でき、したがって、1次元ジョセフソン接合列の電荷ダイナミクスのサイズ効果が系統的に研究できる。この系のクーロンブロッケード効果は、c軸電流-電圧特性の測定によりab面の面積がサブミクロン角の場合に現れることが示されている。固有ジョセフソン接合列の電荷ダイナミクスを考察する場合、この結晶の規則的な層状構造に起因して帯電効果による電場が接合列内に1次元的に閉じ込められることが重要である。この点が、従来型メゾスコピック超伝導接合列と本質的に異なる点である。本研究では、このような1次元的な長距離クーロン相互作用があるジョセフソン接合列系の電荷ダイナミクスの全容を解明した。縦ジョセフソンプラズマ振動は、ab面面積の減少に伴ってソフト化し、ある臨界面積で不安定化する。このようなプラズマの挙動を記述する摂動理論を与えた。また、この臨界面積を決定する繰りこみ群理論の建設にも成功した。さらに、臨界面積以下の微小な面積を持つ試料で電荷ソリトンが安定化することも示した。
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