Dynamika supravodičů

Teoretický popis supravodivého stavu

Rozšířená Ginzburg-Landauova teorie

Ginzburg-Landauova teorie byla rozšířena, aby zahrnula přítomnost elektrického pole. Umožňuje započítat rovnováhu sil a posunuje naše porozumění supravodivosti [1]

Mřížka kvantovaných vírů

Usilujeme o lepší teoretické porozumění rozličných aspektů mřížky kvantovaných vírů. Náš přínos je především v pečlivém započtení elekrostatických sil působících na vír a započtení jeho náboje.

• Náboj kvantovaného víru - výpočty experimentálně pozorovaného náboje uvnitř jádra víru.
• Mřížka supravodivých vírů - struktura mřížky supravodivých vírů je dobře známa (viz Obr. 1). Numerický program počítající periodické řešení GL rovnic lze stáhnout zde.
• Dynamika vírů - Navrhli jsme alternativni teorii dynamiky supravodivých vírů [3,4], jež vysvětluje naše experimenty i anomální Hallův jev [5]
• Termoelektricky indukovaný magnetický flux - rozšířená Ginzburg-Landauova teorie umožnila vysvětlit příčinu vzniku gigantického magnetického toku indukovaného v supravodivém termočlánku [6].

Fig. 1. Na obrázku je možné sledovat vývoj mřížky kvantovaných víru v závislosti na redukovaném magnetickém poli b=B/B_c2. Jednotkou délky je střední rozestup mezi jednotlivými víry, GL parametr κ = 1.

Modifikovaná Josephsonova relace

Je všeobecně známo, že efektivní elektrické pole v supravodiči (pro stacionární případ definované jako gradient elektrochemického potenciálu) je uměrné rychlosti mřížky kvantovaných vírů. Naše teorie předpokládá, že skutečné elektrické pole (pro stacionární případ definované jako gradient skalárního potenciálu) je dáno tzv. modifikovanou Josephsonovou relaci, podle které je elektrické pole úměrné rozdílu rychlostí mřížky vírů a rychlosti supratekuté složky [6].

Měření tenkých supravodivých vrstvách metodami terahertzové spektroskopie

Experimentální techniky v daleké infračervené oblasti hrály rozhodující roli v experimentálním potvrzení teorie BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer) díky možnosti pozorování chování kvazičástic a Cooperových párů a v neposlední řadě díky schopnosti měřit parametr zakázaného pásu 2Δ. Teorie BCS je všeobecně uznávaná jako mikroskopická teorie vysvětlující rozličné fyzikální rysy mnohých supravodivých materiálů, obzvlášť kovů, slitin a dvojatomových sloučenin. Teorie BCS není obecně schopna popsat vlastnosti supravodičů v magnetickém poli. Ve vnějším magnetickém poli supravodiče druhého typu vykazují obzvlášt komplikované jevy díky nehomogenitě spojené s přítomností kvantovaných vírů (supravodivost je lokálně potlačena v cylindrické oblasti o typickém poloměru několik nanometrů a magnetický tok prochází skrze tuto oblast). Kvantované víry cítí elektrické pole a je možné studovat jejich dynamiku v mikrovlnné a THz oblasti. Věříme, že naše experimenty povedou k většímu porozumění vysokofrekvenční odezvy supravodičů a budou stimulovat další pokroky v teorii.

Obrázek. 2. Tenké vrstvy NbN byly měřeny v různých magneto-optických konfiguracích (a) Ve Faradayově konfiguraci (b) je vysokofrekvenční odezva popsána Coffey-Clemovým modelem [7]. Ve Voigtově konfiguraci (c) jsme pozorovali optickou anizotropii indukovanou externim magnetickým polem pomocí terahertzové svazku lineárně polarizovaného paralelně, resp. kolmo, k směru šíření [8]

Hlavní směrem našeho výzkumu je měření supravodivých vrstev v magnetické poli v laboratoři FIRM a v laboratoři terahertzové spektroskopie. Studovali jsme tenké supravodivé vrstvy NbN ve všech fundamentálních magneto-optických uspořádáních (obrázek 2A). V Faradayově uspořádaní jsou optické vlastnosti nezávislé na orientaci linearní polarizace a naše měření komplexní vodivosti jsou dobře popsána Coffey-Clemovým modelem (obrázek 2B). Ve Voigtově uspořádání jsme pozorovali významný rozdíl mezi transmisí svazku linearně polarizovaného ve směřu magnetického pole a svazkem lineárně polarizováného kolmo k směru magnetického pole (obrázek 2C). Ve Faradayově uspořádání se navíc snažíme změřit rozdíl v transmisi levotočivě a pravotočivě kruhově polarizového svazku ve vrstvách vysokoteplotních supravodivých materiálů. Není zřejmě, zda tento jev je zanedbatelně malý či ne. Dalším, docela novým tématem, je studium nerovnovážných jevů v supravodivých vrstvách NbN, které jsou excitovány z rovnováhy krátkým optickým pulsem a jejich dynamika je studována průchodem THz pulsu.

Seznam experimentálních témat

• Vysokofrekvenční komplexní vodivosti v nulovém poli
• Vysokofrekvenční komplexní vodivost v magnetickém poli
• Studium nerovnovážného stavu NbN vrstev po excitaci femtosekundovým optickým pulsem
• Tenzor vodivosti vysokoteplotních supravodičů v magnetickém poli
• Fázový přechod supravodič-izolátor

Vybrané publikace

1. Bernoulli Potential in Superconductors. How the Electrostatic Field Helps to Understand Superconductivity, P. Lipavský, J. Koláček, K. Morawetz, E. H. Brandt, T.-J. Yang, Lecture Notes in Physics, Springer (2008), ISBN 978-3-540-73455-0.
2. Charge profile in vortices , J.Koláček, P.Lipavský, E.H.Brandt, Phys.Rev.Lett. 86, 312-315 (2001).
3. Temperature dependence of the far infrared transmission of GdBaCuO thin film, R.Tesař, Z.Šimša, J.Koláček, F.F.Hanna, P.Gornert, W.Michalke, JMMM 140-144,1329 (1995)
4. High frequency vortex dynamics and magnetoconductivity of high temperature superconductors, J.Koláček, E.Kawate Physics Letters A 260, 300 (1999)
5. Hall voltage sign reversal in type II superconductors, J.Koláček, P.Vašek, Physica C 336, 1999 (2000)
6. Thermopower in superconductors: Temperature dependence of magnetic flux in abimetallic loop, J. Koláček, P. Lipavský, Phys. Rev. B 71, 092503 (2005).
7. Far-infrared electrodynamics of thin superconducting NbN film in magnetic fields, M. Šindler, R. Tesař, J. Koláček, P. Szabó, P. Samuely, V. Hašková, C. Kadlec, F. Kadlec, P. Kužel, Superdcond. Sci. Technol. 27, 055009 (2014).
8. Anisotropic behaviour of transmission through thin superconducting NbN film in parallel magnetic field, M. Šindlera, R. Tesař, J. Koláček, L. Skrbek, submitted to Physica C