• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Локализованные волны в слоистых сверхпроводниках

Апостолов, CC, Кадыгроб, ДВ, Майзелис, ЗA, Рохманова, ТН, Шматько, АА, Ямпольский, ВА
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина

stapos@ukr.net,
yam@ire.kharkov.ua

 

Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61022, Украина

https://doi.org/10.15407/rej2018.04.055
Язык: русский
Аннотация: 

Предмет и цель работы. В этом обзоре обсуждается распространение электромагнитных волн, локализованных вблизи границы образца слоистого сверхпроводника со слоями, параллельными либо перпендикулярными его поверхности. Обобщаются, классифицируются и дополняются результаты, полученные в ряде работ по исследованию закона дисперсии таких волн. Благодаря сильной анизотропии и нелинейности джозефсоновской плазмы в слоистых сверхпроводниках, локализованные волны могут обладать необычными дисперсионными свойствами, а их возбуждение может сопровождаться необычными резонансными явлениями.

Методы и методология работы. Электромагнитное поле в слоистом сверхпроводнике определяется распределением калибровочно-инвариантной разности фаз параметра порядка, которая удовлетворяет системе связанных синусоидальных уравнений Гордона. На основании решения этих уравнений, а также уравнений Максвелла в диэлектрическом окружении, получены дисперсионные соотношения для локализованных электромагнитных волн.

Результаты работы. В образцах слоистого сверхпроводника, слои которого параллельны его границе, могут распространяться как поверхностные волны, так и волноводные моды, обладающие нормальной дисперсией. Для образцов, в которых слои перпендикулярны границе, закон дисперсии зависит от угла распространения волн относительно сверхпроводящих слоев. В данной работе впервые показано, что волны, локализованные в пластине слоистого сверхпроводника, обладают аномальной дисперсией для всех направлений, кроме распространения строго вдоль слоев. Дисперсионные кривые для таких волн могут иметь точки максимума и/или минимума, что может приводить к нетривиальным эффектам (например, к остановке света или внутреннему отражению). Также в работе обсуждается возбуждение локализованных волн и необычные резонансные явления, возникающие при этом.

Заключение. Благодаря сильной анизотропии и нелинейности слоистого сверхпроводника законы дисперсии для волн, локализованных как в полубесконечных образцах, так и в пластинах, обладают рядом интересных особенностей, приводящих к новым явлениям, важным для применения в физике терагерцевого диапазона.

Ключевые слова: аномальная дисперсия, локализованные волны, слоистый сверхпроводник

Статья поступила в редакцию 01.10.2018
PACS: 52.35.Mw, 73.20.Mf, 74.72.-h
УДК 535.42, 537.8
Radiofiz. elektron. 2018, 23(4): 55-66
Полный текст (PDF)

References: 
  1. Kamihara Y., Hiramatsu H., Hirano M., Kawamura R., Yanagi H., Kamiya T., Hosono H. Iron-based layered superconductor: LaOFeP. J. Am. Chem. Soc. 2006. Vol. 128, N 31. P. 10012–10013. DOI:https://dx.doi.org/ 10.1021/ja063355c
  2. Kleiner R., Steinmeyer F., Kunkel G., Muller P. Intrinsic Josephson effects in Bi2Sr2CaCu2O8+d single crystals. Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68, Iss. 15. P. 2394–2397. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.2394
  3. Wait J. R. Electromagnetic Wave Theory. New York: Harper and Row, 1985. 308 p.
  4. Mills D. L. Nonlinear optics: basic concepts. Berlin: Springer, 1998. 263 p.
  5. Rajaraman R. Solitons and Instantons: An Introduction to Solitons and Instantons in Quantum Field Theory. Amsterdam: North-Holland, 1987. 418 p.
  6. Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photonics. 2007. Vol. 1, Iss. 2. P. 97–105. DOI:https://doi.org/ 10.1038/nphoton.2007.3
  7. Capasso F., Gmachl C., Sivco D. L., Cho A. Y. Quantum Cascade Lasers. Phys. Today. 2002. Vol. 55, Iss. 5. P. 34–40. DOI:https://doi.org/10.1063/1.1485582
  8. Koshelets V. P., Shitov S. V. Integrated superconducting receivers. Supercond. Sci. Technol. 2000. Vol. 13, Iss. 5. P. R53–R69. DOI:https://doi.org/10.1088/0953-2048/13/5/201
  9. Kleiner R. Filling the Terahertz Gap. Science. 2007. Vol. 318, Iss. 5854. P. 1254–1255. DOI: https://dx.doi.org/ 10.1126/ science.1151373
  10. Savel'ev S., Yampol'skii V. A., Rakhmanov A. L., Nori F. Terahertz Josephson plasma waves in layered superconductors: spectrum, generation, nonlinear and quantum phenomena. Rep. Prog. Phys. 2010. Vol. 73, Iss. 2. P. 026501 (9 p.). DOI:https://doi.org/10.1088/ 0034-4885/73/2/026501
  11. Yampol’skii V. A., Kats A. V., Nesterov M. L., Niki-tin A. Yu., Slipchenko T. M., Savel’ev S., Nori F. Reso-nance effects due to the excitation of surface Josephson plasma waves in layered superconductors. 2009. Phys. Rev. B. Vol. 79, Iss. 21. P. 214501 (8 p.). DOI:https:// doi.org/10.1103/PhysRevB.79.214501
  12. Golick V. A., Kadygrob D. V., Yampol'skii V. A., Rakhmanov A. L., Ivanov B. A., Nori F. Surface Josephson Plasma Waves in Layered Superconductors above the Plasma Frequency: Evidence for a Negative Index of Refraction. Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104, Iss. 18. P. 187003 (4 p.). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett. 104.187003
  13. Slipchenko T. M., Kadygrob D. V., Bogdanis D., Yampol'skii V. A., Krokhin A. A. Surface and waveguide Josephson plasma waves in slabs of layered superconductors. Phys. Rev. B. 2011. Vol. 84, Iss. 22. P. 224512 (8 p.). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB. 84.224512
  14. Apostolov S. S., Maizelis Z. A., Sorokina M.A., Yampol'skii V. A. Nonlinear wood anomalies in the reflectivity of layered superconductors. Low Temp. Phys. 2010. Vol. 36, Iss. 3. P. 255–261. DOI:https://doi.org/ 10.1063/1.3331418
  15. Averkov Yu. O., Yakovenko V. M., Yampol’skii V. A., Nori F. Conversion of Terahertz Wave Polarization at the Boundary of a Layered Supercondutor due to the Resonance Excitation of Oblique SurfaceWaves. Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 109, Iss. 2. P. 027005 (5 p.). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.027005
  16. Averkov Yu. O., Yakovenko V. M., Yampol’skii V. A., Nori F. Oblique surface Josephson plasma waves in layered superconductors. Phys. Rev. B. 2013. Vol. 87, Iss. 5. P. 054505 (8 p.). DOI:https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.87.054505
  17. Yampol'skii V. A., Gulevich D. R., Savel'ev S., Nori F. Surface plasma waves across the layers of intrinsic Josephson junctions. Phys. Rev. B. 2008.Vol. 78, Iss. 5, P. 054502 (4 p.). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevB. 78.054502
  18. Kadygrob D. V., Golick V. A., Yampol'skii V. A., Slipchenko T. M., Gulevich D. R., Savel'ev S. Excitation of surface plasma waves across the layers of intrinsic Josephson junctions. Phys. Rev. B. 2009. Vol. 80, Iss. 18. P. 184512 (10 p.). DOI:https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.80.184512
  19. Apostolov S. S., Maizelis Z. A., Yampol'skii V. A., Havrilenko V. I. Anomalous dispersion of surface and waveguide modes in layered superconductor slabs. Low Temp. Phys. 2017. Vol. 43, Iss. 2. P. 296–302. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4977740
  20. Apostolov S. S., Kadygrob, D. V., Maizelis Z. A., Nikolaenko A. A., Shmat'ko, A. A., Yampol’skii V. A. Normal and anomalous dispersion of weakly nonlinear localized modes in plate of layered superconductor. Radiofiz. elektron. 2017. Vol. 22, Iss. 4. P. 31–38. DOI: https://doi.org/10.15407/rej2017.04.031
  21. Apostolov S. S., Kadygrob D. V., Maizelis Z. A., Nikolaenko A. A., Yampol’skii V. A. Nonlinear localized modes in a plate of a layered superconductor. Low Temp. Phys. 2018. Vol. 44, Iss. 3. P. 238–246. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5024544
  22. Rokhmanova T., Apostolov S. S., Kvitka N., Yam-pol’skii V. A. Effect of a dc magnetic field on the anomalous dispersion of localized josephson plasma modes in layered superconductors. Low Temp. Phys. 2018. Vol. 44, Iss. 6. P. 552–560. DOI:https://doi.org/ 10.1063/1.5037558
  23. Apostolov S. S., Makarov N. M., Yampol’skii V. A. Excitation of terahertz modes localized on a layered superconductor: Anomalous dispersion and resonant transmission. Phys. Rev. B. 2018. Vol. 97, Iss. 2. P. 024510 (11 p.). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevB. 97.024510
  24. Helm Ch., Bulaevskii L. N. Optical properties of layered superconductors near the Josephson plasma resonance. Phys. Rev. B. 2002. Vol. 66, Iss. 9. P. 094514 (23 p.). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.094514 
  25. Artemenko S. N., Remizov S. V. Stability, collective modes and radiation from sliding Josephson vortex lattice in layered superconductors. Physica C. 2001. Vol. 362, Iss. 1–4. P. 200–204. DOI:https://doi.org/ 10.1016/S0921-4534(01)00670-0