[论文解读] 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 11

一句话总结

本文研究了电磁辐射对高温超导体中耦合本征约瑟夫森结（IJJ）的影响，揭示了三种新现象：（1）在参量共振下，辐射引起纵向等离子体波长的变化；（2）约瑟夫森振荡、辐射与纵向等离子体波之间的双重共振；（3）肖脱基台阶期间超导层的充电行为。主要贡献在于展示了在双重共振条件下出现的‘锯齿状’肖脱基台阶和增强的电荷振荡，这些现象在单结系统中不存在，对太赫兹辐射及高温超导器件中的相干动力学具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 研究外部电磁辐射对高温超导体（HTSC）中耦合本征约瑟夫森结（IJJ）相位动力学和电流-电压特性（IVC）的影响。
• 探讨辐射幅度和频率如何调制IJJ堆栈中的参量共振和纵向等离子体波（LPW）行为。
• 解释实验观测到的IVC中‘凸起’结构以及双重共振条件下‘锯齿状’肖脱基台阶的出现机制。
• 分析肖脱基台阶期间超导层的充电行为及其对辐射参数的依赖性。

提出的方法

• 使用具有规范不变相位差和电容耦合的离散正弦-戈登方程，对一维耦合约瑟夫森结模型（CCJJ+DC）进行数值模拟。
• 通过四阶龙格-库塔法求解非线性二阶微分方程组，并对等离子体频率和临界电流进行无量纲归一化。
• 利用麦克斯韦方程和电荷密度关系式 $ Q_l = Q_0 \alpha (V_{l+1} - V_l) $ 计算超导层中的时间依赖电荷振荡。
• 对具有周期性边界条件的10结堆栈进行IVC模拟，固定 $ \alpha = 0.05 $，$ \beta = 0.2 $，并改变辐射幅度 $ A $ 和频率 $ \omega $。
• 通过分析电荷-时间依赖关系和IVC形态，识别双重共振、参量共振及LPW激发。
• 将单结与多结系统在相同辐射条件下的IVC行为进行比较，以分离集体效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 外部电磁辐射如何影响耦合约瑟夫森结中的纵向等离子体波长？
• RQ2 在何种条件下会发生约瑟夫森振荡、外部辐射与纵向等离子体波之间的双重共振？
• RQ3 辐射如何在IJJ堆栈的肖脱基台阶期间引起超导层的充电？
• RQ4 为何在双重共振下肖脱基台阶会呈现‘锯齿状’？这与单结行为有何不同？
• RQ5 辐射幅度在诱发肖脱基台阶前的参量共振及IVC形变中起何作用？

主要发现

• 由于参量共振，辐射导致纵向等离子体波长发生变化，且随着辐射幅度增加，LPW频率升高。
• 在 $ \omega_J = \omega = 2\omega_{LPW} $ 处出现双重共振，导致肖脱基台阶期间可观测到超导层的充电，随着共振接近，振荡幅度和‘充电宽度’均增加。
• 在双重共振（$ \omega \approx 1.1555 $）时，S层中的电荷振荡对应于LPW的 $ \pi $-模，时间域分析（插图中）已证实此结论。
• 在双重共振下提高辐射幅度（如 $ A = 0.06 $）会引发‘锯齿状’肖脱基台阶，并在主台阶前出现次级参量共振（rr-PR），导致IVC出现明显的断裂点。
• 在耦合系统中，SS宽度偏离贝塞尔函数依赖关系，在 $ \omega = 1.151 $ 处表现出‘截止’行为，而单结情况或 $ \omega = 2 $ 时行为仍保持平滑。
• 在更高幅度（$ A = 0.08 $）时，主肖脱基台阶消失，表明由于强非线性耦合和竞争共振，相干锁定发生饱和与破坏。