[論文レビュー] Variation of Longitudinal Plasma Wavelength under Irradiation and Double Resonance in Coupled Josephson Junctions

Yu. M. Shukrinov, I. R. Rahmonov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 46被引用数 11

ひとこと要約

本稿は高温超伝導体における結合型内部ジョセフソン接合（IJJ）に対する電磁放射の影響を調査し、3つの新規現象を明らかにした: (1) 2次的共鳴における縦型プラズマ波長の放射誘発変化、(2) ジョセフソン振動、放射、縦型プラズマ波の間の二重共鳴、(3) シャピロステップ中の超伝導層の帯電。主な貢献は、二重共鳴下で見られる「ざらついた」シャピロステップおよび強化された電荷振動の実証であり、これは単一接合系には存在せず、THz放射およびHTSCデバイスにおける位相一致ダイナミクスに応用可能性を有する。

ABSTRACT

The effect of electromagnetic wave irradiation on the phase dynamics of intrinsic Josephson junctions in high temperature superconductors is investigated. We predict three novel effects by variation of the radiation amplitude and frequency: changing of the longitudinal plasma wavelength at parametric resonance; double resonance of the Josephson oscillations with radiation and longitudinal plasma wave; charging of superconducting layers in the current interval corresponding to the Shapiro step. The "bump" structure in IVC recently observed experimentally is demonstrated. We also observe ragged Shapiro steps at double resonance.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体（HTSC）における結合型内部ジョセフソン接合（IJJ）の位相ダイナミクスおよび電流-電圧特性（IVC）に及ぼす外部電磁放射の影響を調査すること。
• 放射の振幅および周波数がIJJスタックにおける2次的共鳴および縦型プラズマ波（LPW）行動にどのように影響するかを明らかにすること。
• 実験的に観測されたIVCにおける「盛り上がり」構造および二重共鳴条件下での「ざらついた」シャピロステップの発生を説明すること。
• シャピロステップ中の超伝導層の帯電およびその放射パラメータ依存性を分析すること。

提案手法

• ゲージ不変位相差および容量結合を有する離散サイン＝ゴルドン方程式を用いた1次元結合ジョセフソン接合モデル（CCJJ+DC）の数値シミュレーション。
• 4次ルンゲ＝クッタ法による非線形2階微分方程式系の解法。プラズマ周波数および臨界電流を用いた次元なし正規化を実施。
• マクスウェル方程式および電荷密度関係式 $ Q_l = Q_0 \alpha (V_{l+1} - V_l) $ を用いて、超伝導層内の時間依存的電荷振動を計算。
• 周期的境界条件を適用した10接合スタックのIVCをシミュレート。固定パラメータとして $ \alpha = 0.05 $、$ \beta = 0.2 $ を設定し、放射振幅 $ A $ および周波数 $ \omega $ を変化。
• 電荷-時間依存性およびIVCの形状解析を通じて、二重共鳴、2次的共鳴、LPW励起の特定。
• 同一の放射条件下で単一接合とマルチ接合のIVC行動を比較し、集団的効果を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部電磁放射が結合型ジョセフソン接合における縦型プラズマ波長にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ジョセフソン振動、外部放射、縦型プラズマ波の間で二重共鳴が生じる条件は何か？
• RQ3 放射がIJJスタックにおけるシャピロステップ中に超伝導層の帯電を誘発するメカニズムは何か？
• RQ4 なぜ二重共鳴下ではシャピロステップが「ざらついた」形状を示すのか？これは単一接合系とはどのように異なるか？
• RQ5 放射振幅がシャピロステップの前段階で2次的共鳴を誘発し、IVCを変形させる役割を果たすか？

主な発見

• 2次的共鳴の下で放射により縦型プラズマ波長が変化し、放射振幅が増加するに従いLPW周波数が上昇する。
• 二重共鳴（$ \omega_J = \omega = 2\omega_{LPW} $）では、シャピロステップ中に超伝導層の帯電が顕著に観測され、共鳴に近づくにつれて振動振幅および「帯電幅」が増大する。
• 二重共鳴時（$ \omega \approx 1.1555 $）に、S層内の電荷振動はLPWの$ \pi $-モードに対応しており、インセットの時間領域解析で裏付けられた。
• 二重共鳴下で放射振幅を上昇（例：$ A = 0.06 $）させると、「ざらついた」シャピロステップおよび主ステップの前段階で二次的共鳴（rr-PR）が誘発され、IVCに明著な折れ曲がりが観察される。
• 結合系ではSS幅がベッセル関数依存性から逸脱し、$ \omega = 1.151 $ で「カットオフ」挙動を示すが、これは単一接合系や$ \omega = 2 $ の場合とは異なり、滑らかに保たれる。
• より高い振幅（$ A = 0.08 $）では主シャピロステップが消失し、強い非線形結合および競合共鳴のため、位相一致の鎖交が飽和および破壊することを示唆する。