Superconductivity, including high-temperature superconductivity


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1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   21

1. INTRODUCTION

The discovery of the quantum Hall effect in 1980

1

has


triggered intensive studies of a two-dimensional electron gas

͑2DEG͒ in an external quantizing magnetic field. These stud-

ies have since been extended to different types of artificially

fabricated semiconducting and metallic superlattices

͑SLs͒,

organic conductors, and high-T



c

layered superconductors.

Numerous studies, in particular, have been devoted to the

problem of collective plasma and electromagnetic waves in

2DEG and layered conductors as well as in SLs in a high

magnetic field. Generally, a three different physical cases

should be distinguished in this problem: the case of classical

SLs, the case of quantum SLs, and the case of layered con-

ductors. In the first case constituent slabs of the SL are as-

sumed to be so thick that one can neglect the electron energy

quantization. The electromagnetic wave propagation in such

SLs is determined completely by Maxwell’s equations and

the appropriate boundary conditions. Quantum SLs have

small separations between conducting layers, and the elec-

tron dispersion across the layers in this case is due to the

tunneling between neighboring layers. By layered conductors

we shall understand a stack of 2D conducting planes sepa-

rated by dielectric layers which prevent electrons from hop-

ping between the neighboring planes. Layered conductors

are realized in nature in the form of layered crystals such as

dichalcogenides of transition metals, organic superconduct-

ors, and high-T



c

cuprates. The high anisotropy of Tl- and

Bi-based high-T

c

cuprates,

2

organic salts of



͑TMTSF͒

2

X,



3

and ET families

4

makes them, like dichalcogenides of tran-



sition metals,

5

good layered conductors in the sense formu-



lated above. It is evident that layered conductors can also be

fabricated artificially in the form of highly anisotropic SLs.

All these materials are well described by the model of con-

ducting planes embedded in a dielectric matrix. This model

has proved to be useful in studies of different types of

plasma


6–10

and electromagnetic

11–20

waves in layered con-



ductors, superconductors, and superlattices. A quasi-two-

dimensional nature of the conductivity in layered conductors

brings some specific features into calculations of the collec-

tive electromagnetic modes in them, especially in the pres-

ence of an external magnetic field. Some new types of col-

lective electromagnetic excitations have been predicted

theoretically in a purely 2DEG in high magnetic fields under

the conditions of the quantum and conventional Hall effects.

Among them are surface polaritons,

21,22


magnetoplasma

oscillations,

23

and quantum waves.



24,25

The variety of waves

becomes richer in layered conductors. It is known that a

quantizing magnetic field applied perpendicular to the layers

makes possible the propagation of the helicons across the

layers in both the conventional

11–14

and quantum



14,26–28

Hall-effect regimes.

Real layered crystals and superlattices contain different

types of defects within the layers as well as imperfections in

their stacking which may give rise to new collective electro-

magnetic modes such as, for example, magnetoimpurity

waves

13

or various local modes.



9,10,16

The infinite crystal is

yet another idealization of the theoretical treatment of the

problem, since any sample in experiments has a surface

LOW TEMPERATURE PHYSICS

VOLUME 26, NUMBER 8

AUGUST 2000

569


1063-777X/2000/26(8)/8/$20.00

© 2000 American Institute of Physics



which is known to be a ‘‘structural defect’’ that generates

surface modes decreasing into the bulk of the sample. Sur-

face plasma modes have been studied extensively in the

model of a semi-infinite layered electron gas.

7,8

Surface elec-



tromagnetic waves have also been described in layered

superconductors.

15

The purpose of this paper is to study the surface electro-



magnetic waves in layered conductors in a perpendicular

quantizing magnetic field. The basic equations describing the

electric field components on the layers, E

(z



n

)

ϵE



(n),

were derived in our previous publication

14

and can be written



as follows

͑see Appendix for details͒:



E

x

͑n͒ϭ

4



i





c

2

͚



n

Ј

G



q



x

͑n,n

Ј

͓͒





xx

E

x

͑n

Ј

͒ϩ



xy

E

y

͑n

Ј

͔͒,


͑1͒

E

y

͑n͒ϭϪ

4



iq



2



͚

n

Ј

G



q



y

͑n,n

Ј

͓͒





y y

E

y

͑n

Ј

͒

ϩ





y x

E

x

͑n

Ј

͔͒␧


Ϫ1

͑n͒

͑z

n

is a discrete coordinate of a conducting plane along the z

axis

͒.

The Green’s functions G



q



(n,n

Ј

)



ϵG

q



(z

n

,z



n

Ј

) in Eq.



͑1͒ satisfy the following equations:

ͩ

ץ



2

ץ

z

2

Ϫq



2

͑z͒



ͪ

G

q

2



͑z,z

Ј

͒ϭ



͑zϪz

Ј

͒,

͑2͒



ͩ

ץ

2



ץ

z

2

ϩU͑q,



,z

͒

ץ

ץ



z

Ϫq

2

͑z͒



ͪ

G

q



y

͑z,z

Ј

͒ϭ



͑zϪz

Ј

͒,

͑3͒



where

U

͑q,

,z



͒ϭ

ͩ

q



q

͑z͒



ͪ

2



Ϫ1

͑z͒

ץ

␧͑z͒



ץ

z

,

͑4͒



Here

␧(z) is the dielectric constant of the matter be-

tween the layers,

␣␤



ϵ

␣␤



(q,

,H) is the two-dimensional



high-frequency conductivity tensor in an external magnetic

field Hstands for the wave vector, and q

(z) is defined by



the equation

q

2



͑z͒ϭq

2

Ϫ



2

c

2

␧͑z͒.



͑5͒

2. THE MODEL AND THE BASIC EQUATIONS

Consider a regular semi-infinite layered crystal in which

conducting planes occupy positions at a discrete periodic set

of points z



n

ϭna (nϭ0,1,2...) along the axis of the half

space z

Ͼ0. We assume that the dielectric constants are dif-

ferent in the half spaces:

0



at z

Ͻ0 and ␧ between the layers.

The function

␧(z) can be written analytically with the help

of the Heaviside step function:

␧͑z͒ϭ␧

͑z͒ϩ␧



0

͑Ϫz͒.



͑6͒

It then follows from Eq.

͑5͒ that the quantity q

2



(z) takes

two different values in the half spaces:



q

2



͑z͒ϭ

ͭ

q

2

,



z

Ͼ0



2

,



z

Ͻ0,


͑7͒

where q

2

ϭq



2

Ϫ␧



2

/c

2

and


2



ϭq

2

Ϫ␧



0

2



/c

2

.



The Green’s function G

q



x

(z,z

Ј

) can be found with the



help of the known general expression

G

q



x

͑z,z

Ј

͒ϭ



1

W

͑



,

͒



͕␪

͑zϪz

Ј

͒



͑z͒

͑z



Ј

͒

ϩ



͑z

Ј

Ϫz͒



͑z

Ј

͒



͑z͒

͖

,



͑8͒

where


(z) and

(z) are two independent solutions of the



differential operator in the left-hand side of Eq.

͑2͒, and


W(

,



)

ϭ



␸␹

Ј

Ϫ



␹␸

Ј

is the Wronskian determinant.



Choosing

(z)



ϭexp(Ϫq



z),

(z)



ϭcosh(q



z)

ϩ(





/

q

)sinh(q





z) for z

Ͼ0, we have



G

q



x

͑z,z

Ј

͒ϭϪ



1

2q

͑e



Ϫq

͉z



Ϫz

Ј

͉



ϩ



e

Ϫq

͉z



ϩz

Ј

͉



͒,

͑9͒


z,z

Ј

Ͼ0,



where



ϭ͑q

Ϫ



͒/͑q



ϩ



͒.

͑10͒



The Green’s function G

q



y

(z,z

Ј

)



ϵ(z,z

Ј

) in our model



satisfies the following equation:

ͩ

ץ



2

ץ

z

2

Ϫq



2

͑z͒



ͪ

G

ˆ

͑z,z

Ј

͒ϩ⌬


͑z͒



ץ

ץ

z



G

ˆ

͑z,z

Ј

͒ϭ



͑zϪz

Ј

͒.



͑11͒

The quantity



is defined by the relation



ϭ2



ͫ

q

q

¯

ͬ



2

␧Ϫ␧


0

0



ϩ␧

,

͑12͒



where

the


following

notations

are

adopted:


q

¯

ϭq



2

Ϫ(



2

/c

2

)

¯, and ␧¯ϭ1/2(␧



0

ϩ␧). The solution of Eq. ͑11͒ is

trivially expressed in terms of the Green’s function G(z,z

Ј

)



that satisfies the very same equation but with



ϭ0:

G

ˆ

͑zϪz

Ј

͒ϭG͑z,z



Ј

͒Ϫ



1

ϩ⌬





G

Ј

͑0,0͒



G

͑z,0͒G

Ј

͑0,z



Ј

͒,

͑13͒



where

we

have



used

the


notation

G

Ј

(0,z



Ј

)

ϭ lim



x

→0

ץ



G(x,z

Ј

)/



ץ

x.

Taking into account that G(z,z

Ј

)

ϵG



q



x

(z,z

Ј

) for z,z



Ј

Ͼ0, we obtain from Eqs. ͑9͒ and ͑13͒ an exact formula for

the Green’s function G

q



y

(z,z

Ј

) in the positive half space:



G

q



y

͑z,z

Ј

͒ϭϪ



1

2q

͑e



Ϫq

͉z



Ϫz

Ј

͉



ϩ⌬ˆ



e

Ϫq

͉z



ϩz

Ј

͉



͒,

z,z

Ј

Ͼ0,



͑14͒

We have introduced the notation

ˆ

ϭ



ϩ



͑1Ϫ



2



͒

2

ϩ





.

͑15͒



Substituting Eqs.

͑9͒ and ͑14͒ into Eq. ͑1͒, we have



E

͑n͒ϭ



͚

␤,n

Ј

ϭ0

ϱ





ˆ

␣␤

͑e



Ϫq



a

͉n

Ϫn

Ј

͉

ϩ⌬ˆ





e

Ϫq



a

͉n

ϩn

Ј

͉

͒E



͑n

Ј

͒,

͑16͒



where

570


Low Temp. Phys. 26 (8), August 2000

V. M. Gvozdikov





ˆ

␣␤

ϭϪ



2



i



q



c

2



␣␤



͑q,

,H



͒V

␣␤

,



͑17͒

and V

␣␤

is a matrix with the components V



11

ϭV

12

ϭ1, V



21

ϭV

22

ϭϪc



2

q

2



/

2



␧. The quantity ⌬ˆ



takes two values:

ˆ



x

ϭ



and


ˆ



y

ϭ⌬ˆ

.



3. THE TRANSFER-MATRIX APPROACH

To solve Eqs.

͑16͒ it is convenient to introduce new

quantities



A

͑n͒ϭ



͚



ˆ

␣␤

ͩ



͚

n

Ј

рn



e

Ϫq



a

͑nϪn

Ј

͒

E



͑n

Ј

͒

ϩ⌬ˆ



͚



n

Ј

ϭ0



e

Ϫq



a

͑nϩn

Ј

͒

E



͑n

Ј

͒

ͪ



͑18͒

and


B

͑n͒ϭ



͚



ˆ

␣␤

ͩ



͚

n

Ј

Ͼn



e

Ϫq



a

͑nϪn

Ј

͒

E



͑n

Ј

͒

ͪ



.

͑19͒


The sum of A

(n) and B



(n) is exactly the electric field at

the nth layer:

E

a

͑n͒ϭA

͑n͒ϩB



͑n͒.

͑20͒

Using Eqs.



͑18͒–͑20͒, one can easily obtain the recurrence

relations



A

͑nϩ1͒ϭe



Ϫq



a



A

͑n͒ϩ



͚



ˆ

␣␤

͓A



͑nϩ1͒ϩB

͑nϩ1͔͒,



͑21͒

B

͑nϩ1͒ϭe



q



a



B

͑n͒Ϫ



͚



ˆ

␣␤

͓A



͑nϩ1͒ϩB

͑nϩ1͔͒.



͑22͒

These equations may be recast in the matrix form:

ͩ

A

͑nϩ1͒



B

͑nϩ1͒



ͪ

ϭ

͚





␣␤

ͩ



A

͑n͒



B

͑n͒



ͪ

,

͑23͒



where the transfer matrix 

␣␤

has been introduced by the



definition

␣␤

ϭ



ͩ

͑



␣␤

ϩ



ˆ

␣␤

͒e



Ϫq



a



ˆ

␣␤

e



q



a

Ϫ



ˆ



␣␤

e

Ϫq



a

͑



␣␤

Ϫ



ˆ

␣␤

͒e



q



a

ͪ

.

͑24͒



The transfer matrix satisfies the relation

det 

␣␤

ϭ



␣␤

11

␣␤

22

Ϫ



␣␤

12

␣␤

21

ϭ



␣␤

.



͑25͒

As compared to the case of a one-component plasma oscil-

lations in layered structures, which were discussed in Refs. 8

and 9 in terms of the transfer matrix of dimension 2

ϫ2, the

matrix 



␣␤

given by Eq.

͑24͒ has a higher dimensionality

(4

ϫ4) because of the two-component nature of the electro-



magnetic waves in the system under study.

Putting n

ϭ0 in Eqs. ͑18͒ and ͑19͒, we arrive at the

surface condition



A

͑0͒ϭ⌬ˆ





B

͑0͒ϩ


͚



ˆ

␣␤

͑1ϩ⌬ˆ



͓͒A



͑0͒ϩB

͑0͔͒.


͑26͒

Before turning to the surface-mode calculations it is instruc-

tive to address first the simpler case of an infinite layered

conductor. In this case one can find the solution of the matrix

equation

͑23͒ in the form



A

͑n͒ϭC





e

ikan

,

B

͑n͒ϭD





e

ikan

.

͑27͒



After substitution of these relations into Eq.

͑23͒, we have

Det

͑



␣␤

Ϫ

␣␤

e

ika

͒ϭ0.


͑28͒

The symbol Det here stands for the determinant of the (4

ϫ4) matrix, while Iˆ is the (2ϫ2) unit matrix.

Taking into account the condition given by Eq.

͑25͒, one

can rewrite Eq.

͑28͒ in the form

det


ͩ

␣␤



cos ka

Ϫ

1



2

Tr 

␣␤

ͪ

ϭ0



͑29͒

which, after the substitution of the transfer-matrix compo-

nents, yields the dispersion relation

det


͓

␣␤



ϩ



ˆ

␣␤

S

͑q,k,

͔͒ϭ0,


͑30͒

where the structural form factor is given by



S

͑q,k,

͒ϭ

sinh



͑q



a

͒

cosh


͑q



a

Ϫcos͑ka͒

.

͑31͒



Different types of electromagnetic waves in infinite lay-

ered conductors have been studied on the basis of Eq.

͑30͒

under the conditions of the conventional and quantum Hall



effects, in particular, magnetoimpurity waves

13

and helicons



and helicons–plasmons.

14

The surface breaks the transla-



tional invariance of Eq.

͑16͒ due to the term containing ⌬ˆ



.



Because of that, the surface mode has no dispersion across

the layers, and its field components damp into the bulk of the

layered conductor. We assume this damping to be exponen-

tial with a decrement

and will find it below,



E

͑nϩ1͒ϭe



Ϫ

a



E

͑n͒ϭ...ϭe



Ϫ

an



E

͑0͒.



͑32͒

This equation means that



A

͑n͒ϭA



͑0͒e

Ϫ

an



,

B

͑n͒ϭB



͑0͒e

Ϫ

an



.

͑33͒


The above relations have the very same exponential

form as those in Eq.

͑27͒, so that we can find the dispersion

relation for the surface mode immediately from Eq.

͑30͒ by

the substitution k



i

. This yields



det

͑

Ϫ1



␣␤



Ϫ



ˆ

␣␤

͒ϭ0,


͑34͒

where the form factor (q,

,



)

ϭS(q,i

,



) is given by

͑q,

,



͒ϭ

sinh


͑q



a

͒

cosh


͑q



a

͒Ϫcosh͑



a



͒

.

͑35͒



To obtain an equation for the function

ϭ



(q

,



), we

proceed as follows. First, writing the condition E

(n



ϩ1)

ϭe

Ϫ

a



E

(n) with the help of the transfer matrix and then



putting n

ϭ0, we arrive at the equation

͚



͓T



␣␤

11

ϩT



␣␤

21

͒A



͑0͒ϩ͑T

␣␤

22

ϩT



␣␤

12

͒B



͑0͒]


ϭ͑A

͑0͒ϩB



͑0͒͒e

Ϫ

a



.

͑36͒


571

Low Temp. Phys. 26 (8), August 2000

V. M. Gvozdikov


Now using Eq.

͑24͒ for the transfer-matrix components,

we obtain from Eq.

͑36͒ a relation for the ratio A

/B



at the


surface:

A

͑0͒



B

͑0͒



ϭ⌫͑q,

,



͒ϭ

e



q



a

Ϫe

Ϫ

a



e

Ϫ

a



Ϫe

Ϫq



a

.

͑37͒



Combining this equation with the surface condition given by

Eq.


͑26͒, we arrive at a pair of linear equations for the quan-

tities B



x

(0) and B



y

(0), which have a nonzero solution if

det

͓P



␣␤



Ϫ



ˆ

␣␤

͔ϭ0,


͑38͒

where


P

͑q,



,



͒ϭ

1

1



ϩ⌬ˆ



Ϫ

1

1



ϩ⌫

Ϫ



ˆ

␣␣

.



͑39͒

Equations

͑34͒ and ͑38͒ form a closed system of equa-

tions for the surface mode. This system can, however, be

recast into a simpler pair of equations. Indeed, comparing

Eqs.


͑38͒ and ͑34͒, we see that P

ϭS



Ϫ1

. This condition

gives an equation for

ϭ



(q

,



):

͑1ϩ⌬ˆ



͒e



a

ϭ⌬ˆ



e



q



a

ϩe

Ϫq



a

.

͑40͒



Using this equation, we can eliminate

from the form factor



͓q,

ϭ



(q

,



),



͔ϵ(q,

) in Eq.



͑35͒, which yields the

dispersion relation for the surface mode



s

ϭ



s

(q)

det

͑



␣␤

Ϫ



ˆ

␣␤

͑q,



͒͑q,

͒͒ϭ0,


͑41͒

where


S

¯

͑q,

͒ϭ

ͩ



1

ϩ⌬ˆ



2



ˆ



ͪ

ˆ



e



q



a

ϩe

Ϫq



a

sinh


͑q



a

͒

.

͑42͒



The amplitudes of this surface mode decrease exponentially

into


the

bulk


of

the


layered

conductor,



E

(n)



ϭe

Ϫ

an



E

(0), with a decrement



ϭ



(q,



s

(q)) given by



͑q͒ϭ

1

a

ln

ͩ

ˆ





e



q



a

ϩe

Ϫq



a

1

ϩ⌬ˆ



ͪ



,

͑43͒


where

ϭ





s

(q).

Being a collective excitation of the finite layered con-

ductor, the surface mode also decreases exponentially into

the left half space z

Ͻ0 with a decrement



2



Ͼ0. This means

that the condition q

2

Ϫ(



2

/c

2

)



0

Ͼ0 should hold, as well as

the inequality q

2

Ϫ(



2

/c



2

)

␧Ͼ0, which has been tacitly as-



sumed in the course of all the above discussion. Therefore,

these two constraints together with Eqs.

͑41͒–͑43͒ comprise

a complete set of equations describing the surface electro-

magnetic mode in a layered conductor in an external mag-

netic field within our approach. It is worthy of note that these

dispersion relations are still rather general, since the 2D con-

ductivity tensor that appears in them is as yet an arbitrary

quantity. In the next section we will consider a Drude-like

model for the conductivity of the 2DEG, leaving more com-

plex models of the conductivity for further studies.


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