Abstract

We have unambiguously observed the c-axis Josephson plasma resonance (JPR) in high-critical-temperature Tc cuprate Tl2Ba2CaCu2O8 superconducting thin films, employing terahertz time-domain spectroscopy in transmission as a function of temperature in zero magnetic field. These are believed to be the first measurements of the JPR temperature dependence of a high-Tc material in transmission. With increasing temperature, the JPR shifts from 705  GHz at 10  K to 170 GHz at 98  K, corresponding to an increase in c-axis penetration depth from 22.4±0.6 μm to 94±9 μm. The linewidth of the JPR peak increases with temperature, which indicates an increase in the quasi-particle scattering rate. We have probed the onset of the c-axis phase coherence to 0.95 Tc. The JPR vanishes above Tc as expected.

© 2001 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
    [CrossRef]
  2. A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
    [CrossRef]
  3. L. N. Bulaevskii, M. P. Maley, and M. Tachiki, Phys. Rev. Lett. 268, 809 (1995).
  4. M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
    [CrossRef]
  5. O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. O. K. C. Tsui, N. P. Ong, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 76, 819 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. R. D. Averitt, G. Rodriguez, J. L. W. Siders, S. A. Trugman, and A. J. Taylor, J. Opt. Soc. Am. B 17, 327 (2000).
    [CrossRef]
  9. S. N. Artemenko and A. G. Kobel’kov, Physica C 253, 373 (1995).
    [CrossRef]
  10. T. Koyama and M. Tachiki, Phys. Rev. B 54, 16183 (1996).
    [CrossRef]

2000

M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

R. D. Averitt, G. Rodriguez, J. L. W. Siders, S. A. Trugman, and A. J. Taylor, J. Opt. Soc. Am. B 17, 327 (2000).
[CrossRef]

1998

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

1997

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

1996

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 76, 819 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

T. Koyama and M. Tachiki, Phys. Rev. B 54, 16183 (1996).
[CrossRef]

1995

S. N. Artemenko and A. G. Kobel’kov, Physica C 253, 373 (1995).
[CrossRef]

L. N. Bulaevskii, M. P. Maley, and M. Tachiki, Phys. Rev. Lett. 268, 809 (1995).

1994

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Artemenko, S. N.

S. N. Artemenko and A. G. Kobel’kov, Physica C 253, 373 (1995).
[CrossRef]

Averitt, R. D.

Bulaevskii, L. N.

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

L. N. Bulaevskii, M. P. Maley, and M. Tachiki, Phys. Rev. Lett. 268, 809 (1995).

Chikumoto, N.

M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Damascelli, A.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

de Boer, J. L.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Dulic, D.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Gaifullin, M. B.

M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Grüninger, M.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Hirata, K.

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Kirtley, J. R.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Kishio, K.

M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Kobel’kov, A. G.

S. N. Artemenko and A. G. Kobel’kov, Physica C 253, 373 (1995).
[CrossRef]

Kolesnikov, N. N.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Konczykowski, M.

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Kosugi, M.

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Koyama, T.

T. Koyama and M. Tachiki, Phys. Rev. B 54, 16183 (1996).
[CrossRef]

Kumagai, K.

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Maley, M. P.

L. N. Bulaevskii, M. P. Maley, and M. Tachiki, Phys. Rev. Lett. 268, 809 (1995).

Matsuda, Y.

M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Molegraaf, H. J.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

Ong, N. P.

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 76, 819 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Peterson, J. B.

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 76, 819 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Ren, J. F.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Ren, Z. F.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

Rodriguez, G.

Schützmann, J.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Shimoyama, J.

M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

Siders, J. L. W.

Somal, H. S.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Tachiki, M.

T. Koyama and M. Tachiki, Phys. Rev. B 54, 16183 (1996).
[CrossRef]

L. N. Bulaevskii, M. P. Maley, and M. Tachiki, Phys. Rev. Lett. 268, 809 (1995).

Taylor, A. J.

Trugman, S. A.

Tsui, O. K. C.

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 76, 819 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Tsvetkov, A. A.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

van der Eb, J. W.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

van der Marel, D.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

Wang, J. H.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Willemsen, B.

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

Yan, Y. F.

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

J. Opt. Soc. Am. B

Nature

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, J. F. Ren, J. R. Kirtley, J. L. de Boer, N. N. Kolesnikov, D. Dulic, A. Damascelli, M. Grüninger, J. Schützmann, J. W. van der Eb, H. S. Somal, and J. H. Wang, Nature 395, 360 (1998).
[CrossRef]

Phys. Rev. B

T. Koyama and M. Tachiki, Phys. Rev. B 54, 16183 (1996).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

L. N. Bulaevskii, M. P. Maley, and M. Tachiki, Phys. Rev. Lett. 268, 809 (1995).

M. Kosugi, Y. Matsuda, M. B. Gaifullin, L. N. Bulaevskii, N. Chikumoto, M. Konczykowski, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Hirata, and K. Kumagai, Phys. Rev. Lett. 79, 3763 (1997).
[CrossRef]

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, Y. Matsuda, Y. F. Yan, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 73, 724 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

O. K. C. Tsui, N. P. Ong, and J. B. Peterson, Phys. Rev. Lett. 76, 819 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

M. B. Gaifullin, Y. Matsuda, N. Chikumoto, J. Shimoyama, and K. Kishio, Phys. Rev. Lett. 84, 2945 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Physica C

S. N. Artemenko and A. G. Kobel’kov, Physica C 253, 373 (1995).
[CrossRef]

Proc. SPIE

A. A. Tsvetkov, D. van der Marel, D. Dulic, H. J. Molegraaf, N. N. Kolesnikov, B. Willemsen, and Z. F. Ren, Proc. SPIE 3480, 2 (1998).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Configuration of the thin film plus substrate with respect to the THz beam. p-polarized THz radiation is transmitted through the sample.

Fig. 2
Fig. 2

Electric field of the THz pulse in the time domain, transmitted through Tl2Ba2CaCu2O8 film on MgO at different temperatures. (a) 110  K. The THz pulse is transmitted above Tc. (b) 90  K. Just below Tc, a slight oscillation following the main pulse signifies the onset of the JPR. (c) At 70  K, the JPR oscillation is more pronounced. (d) At 10  K, the JPR oscillation persists for at least 20  ps.

Fig. 3
Fig. 3

Transmission amplitude versus frequency for Tl2Ba2CaCu2O8 film on MgO. The JPR peak broadens and shifts to lower frequencies with increased temperature. FFT, fast Fourier transform.

Fig. 4
Fig. 4

JPR frequency versus temperature for Tl2Ba2CaCu2O8 film on both MgO and LaO substrates.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

ϵabω=ϵab1-ωpab2ω2,ϵcω=ϵc1-ωpc2ω2+4πiσcϵcω.
ωpc<ω<ωpc1-sin2θϵc1/2ωpc1+sin2θ2ϵc.

Metrics