JP5229876B2 - Terahertz band electromagnetic wave oscillator using higher harmonics - Google Patents
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Description
本発明は、高温超伝導体を用いてコヒーレントなテラヘルツ(1012Hz)帯域の電磁波発振器に関し、特に、基本波の高次調波を利用するテラヘルツ帯域電磁波発振装置に関する。 The present invention relates to a coherent terahertz (10 12 Hz) band electromagnetic wave oscillator using a high-temperature superconductor, and more particularly to a terahertz band electromagnetic wave oscillation apparatus using higher harmonics of a fundamental wave.
テラヘルツ帯電磁波(例えば、0.1乃至数十THz、以下適宜「THz帯」という)は、現在利用されているギガヘルツ帯域の電磁波と比較して極めて高い透過性を有し、物体を精細に見ることができることから、近い将来、物理化学的な分光測定器、種々の分子、高分子、タンパク質などの同定、精緻なイメージング分野、医療及び診断装置、航空宇宙又は防衛分野、高速度通信等に幅広く利用される広範な応用分野を有する有望な周波数帯域である。この広範な応用性は、テラヘルツ帯電磁波の二つの特異的な性質から得られる。すなわち、広く様々な重要な化学的又は生物的物質の振動及び回転モードに対するテラヘルツ帯電磁波のスペクトラム特異性、及び、包装材料、衣類、プラスチック等を通過するテラヘルツ帯電磁波の浸透性である。 Terahertz electromagnetic waves (for example, 0.1 to several tens of THz, hereinafter referred to as “THZ band” where appropriate) have extremely high transparency compared to currently used electromagnetic waves in the gigahertz band, so that objects can be viewed in detail. In the near future, it will be widely used in physicochemical spectrometers, identification of various molecules, macromolecules, proteins, etc., sophisticated imaging fields, medical and diagnostic equipment, aerospace or defense fields, high-speed communications, etc. It is a promising frequency band with a wide range of applications to be used. This wide range of applicability comes from two unique properties of terahertz electromagnetic waves. That is, the spectrum specificity of terahertz electromagnetic waves for vibration and rotation modes of a wide variety of important chemical or biological substances, and the permeability of terahertz electromagnetic waves that pass through packaging materials, clothing, plastics, and the like.
このため、従来から、THz帯の電磁波発振器として、半導体に高出力のフェムト秒(1/1015)レベルのレーザ光を照射し、その強力な電場によって誘起される電流でパルス的な広帯域のTHz帯域波を発生させる光スイッチ法や、大電力レーザ光を非線形光学結晶に照射するパラメトリック法の他、自由電子レーザや放射光、フォトミキシングなど種々の方法が知られていた。 For this reason, conventionally, as a THz band electromagnetic wave oscillator, a high-power femtosecond (1/10 15 ) level laser beam is irradiated onto a semiconductor, and a pulse-like wideband THz is generated by a current induced by the strong electric field. In addition to an optical switch method for generating a band wave and a parametric method for irradiating a nonlinear optical crystal with a high-power laser beam, various methods such as a free electron laser, synchrotron radiation, and photomixing have been known.
また、他のTHz領域の電磁波発振器の公知技術の例として、BSCCO(ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物:Bi2Sr2CaCu2O8、Bi2Sr2Ca2Cu3O10)や、TBCCO(タリウム・バリウム・カルシウム・銅酸化物:TL2Ba2Ca2Cu3O10)等の超伝導単結晶からなる超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層された積層ジョセフソン接合を有する超伝導単結晶素子を利用したTHz帯発振器が提案されている(例えば、特許文献1又は特許文献2を参照)。
しかしながら、これらの従来のTHz帯発振器は何れも、発振効率(入力エネルギーに対するTHz帯電磁波出力の比)が悪い(数%以下)にも拘らず、大掛かりな付帯装置を必要とするものであり、実用的ではなかった。
すなわち、特許文献1又は特許文献2に記載されているように、従来のジョセフソン接合を利用したTHz帯域の電磁波発振装置提案は何れも、超伝導素子の狭い素子幅に強力な磁界を印加しなければならず、付帯装置として大掛かりな外部の磁場印加装置を設備する必要性があり、携帯不可能で且つ高強度のTHz帯域の電磁波を発振させ利用することは困難であった。
However, all of these conventional THz-band oscillators require a large-scale incidental device despite their low oscillation efficiency (ratio of THz-band electromagnetic wave output to input energy) (several percent or less). It was not practical.
That is, as described in Patent Document 1 or Patent Document 2, any of the conventional THz band electromagnetic wave oscillation device proposals using Josephson junctions applies a strong magnetic field to a narrow element width of a superconducting element. Therefore, it is necessary to install a large external magnetic field application device as an accessory device, and it is difficult to oscillate and use an electromagnetic wave in a high intensity THz band that is not portable.
一方、従来のレーザ混合、パラメトリック共振技術、量子カスケード・レーザ等を利用すれば、単色のTHz波を生成することは可能である。しかし、これらの従来技術は、特に1乃至5THzの周波数範囲においては、効率、装置のコンパクトさ及びコスト・パフォーマンスについては劣っている。特にこの周波数帯の所謂“THzギャップ”の問題を克服するためには、新たな物理的かつ技術的原理に基づき十分なパワーを備えた完全に新しいTHz供給源を開発することが強く望まれているのである。 On the other hand, using conventional laser mixing, parametric resonance technology, quantum cascade laser, etc., it is possible to generate monochromatic THz waves. However, these prior art techniques are inferior in efficiency, device compactness and cost performance, especially in the frequency range of 1 to 5 THz. In particular, in order to overcome the so-called “THz gap” problem in this frequency band, it is highly desirable to develop a completely new THz source with sufficient power based on new physical and technical principles. It is.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高温超伝導体である高度に層状化された異方性BSCCO単結晶を利用した本来的に存在する多重積層された固有ジョセフソン接合を用いて、特に1乃至5THz周波数帯域の単色的でありコヒーレントの強力且つ連続的な電磁波を生成する実用的なTHz帯電磁波発振装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a multi-layered layer that originally exists using a highly layered anisotropic BSCCO single crystal that is a high-temperature superconductor. It is another object of the present invention to provide a practical THz-band electromagnetic wave oscillation device that generates a monochromatic, coherent, strong and continuous electromagnetic wave particularly in the 1 to 5 THz frequency band by using the intrinsic Josephson junction.
このため、本発明は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体BSCCO構造の単結晶体により形成され、交流ジョセフソン効果を利用して前記単結晶体内の複数のジョセフソン接合部が同期して振動することにより発振するテラヘルツ帯域電磁波の基本波の高次調波を利用することを特徴とするテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供するものである。 Therefore, the present invention is formed by a single crystal of superconducting BSCCO structure having multiple stacked intrinsic Josephson junctions, a plurality of Josephson junctions in the single crystal by using the AC Josephson effect The present invention provides a terahertz band electromagnetic wave oscillating device using a higher order harmonic of a fundamental wave of a terahertz band electromagnetic wave that oscillates by oscillating synchronously .
ここで、前記基本波の周波数は0.648THzであり、前記高次調波は4次調波であって、2.589THzである。この場合、前記BSCCO構造の単結晶は、400x60x1.0μm3のサイズを有する。 Here, the frequency of the fundamental wave is 0.648 THz, and the higher order harmonic is a fourth order harmonic, which is 2.589 THz. In this case, the single crystal having the BSCCO structure has a size of 400 × 60 × 1.0 μm 3 .
ところで、前記超伝導体BSCCO構造の単結晶体は、外部からの磁界印加が不要な電磁空洞共振により励起されることを特徴とする。 By the way, the single crystal body of the superconductor BSCCO structure is characterized by being excited by electromagnetic cavity resonance that does not require external magnetic field application.
ここで、前記電磁空洞共振は、ファブリ・ペロー空洞共振であり、前記BSCCO構造の単結晶体における空洞サイズによって発振周波数が可変されることにより変調可能である。 Here, the electromagnetic cavity resonance is a Fabry-Perot cavity resonance and can be modulated by changing the oscillation frequency according to the cavity size in the single crystal body of the BSCCO structure.
このように、本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体BSCCO構造の単結晶体により形成され、前記単結晶体から放射される基本波の高次調波を利用するので、所謂“THzギャップ”と言われる特に1乃至5THz周波数帯域の単色的でありコヒーレントの強力且つ連続的な電磁波を生成する実用的なTHz帯電磁波発振装置の提供を可能にしたのである。 As described above, the terahertz band electromagnetic wave oscillation device according to the present invention is formed of a single crystal of a superconductor BSCCO structure having a multi-layered intrinsic Josephson junction, and a higher order of the fundamental wave radiated from the single crystal. Since harmonics are utilized, it is possible to provide a practical THz band electromagnetic wave oscillation device that generates a monochromatic, coherent, strong and continuous electromagnetic wave, particularly in the 1 to 5 THz frequency band, so-called “THZ gap”. It was.
以下、本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯電磁波発振装置の詳細について説明するが、最初に、電磁空洞共振により励起される超伝導体BSCCO構造の単結晶体について詳しく説明する。 Hereinafter, the terahertz band electromagnetic wave oscillation device having directivity according to the present invention will be described in detail. First, a single crystal body having a superconductor BSCCO structure excited by electromagnetic cavity resonance will be described in detail.
超伝導ジョセフソン接合部は、電圧に比例する周波数を持つ高周波の電磁場を形成するという基本的性質を持つが、この性質は、コヒーレントで、変調可能な高周波発振装置の製造を可能とする。この魅力的な可能性は、過去においても、人工のジョセフソン接合部の大型アレイを製造することによって広範に探索されてきた。 The superconducting Josephson junction has the basic property of forming a high-frequency electromagnetic field having a frequency proportional to the voltage, but this property enables the production of a coherent and modulatable high-frequency oscillator. This attractive possibility has been extensively explored in the past by manufacturing large arrays of artificial Josephson junctions.
大きな問題は、アレイにおける全ての接合部を同期させ、同相で振動させることであるが、これは、例えば、それらを同じ電子共振回路に結合することによって実現することが可能である。BSCCO(ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物:Bi2Sr2CaCu2O8、Bi2Sr2Ca2Cu3O10)における固有のジョセフソン効果によって、積層体の形で、すなわち、単結晶として成形した所謂メサの形で、極めて多数の、緊密に詰められた同一接合部から成る一次元アレイを簡単に製造することが可能である。 A major problem is that all the junctions in the array are synchronized and oscillated in phase, but this can be achieved, for example, by coupling them to the same electronic resonant circuit. Due to the intrinsic Josephson effect in BSCCO (Bismuth / Strontium / Calcium / Copper Oxide: Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 ), in the form of a laminate, ie single crystal It is possible to easily produce a one-dimensional array consisting of a very large number of closely packed identical joints in the form of so-called mesas formed as:
上記の積層体における全ての接合部が、同じ周波数で、かつ、同相で振動するように強いた場合、合計電力が接合部の数の二乗の大きさで測られる、強力なコヒーレント電磁発射線が得られると考えられる。この同期は、接合部を、外部のマイクロ波空洞、または、メサ自身の共振モードに結びつけることによってさらに促進される。大面積メサ内部の電磁波は、ジョセフソン・プラスマモードとして伝播する。 If all the junctions in the above laminate are forced to vibrate at the same frequency and in phase, there will be a strong coherent electromagnetic emission line whose total power is measured by the square of the number of junctions. It is thought that it is obtained. This synchronization is further facilitated by coupling the junction to an external microwave cavity, or the mesa's own resonant mode. Electromagnetic waves inside large area mesas propagate as Josephson plasma mode.
このモードの面内速度は、面外波ベクトルに大きく依存し、最高速度は、同相モード(全ての接合部が同相で振動する)に一致し、最低速度は、隣接接合部が異相で振動する逆相モードに一致する。さらに全ての上記モードにおいて、メサの側面における多数の反射によって定在波パターン、及び、フィスケモードとして知られるファブリ・ペロー型空洞共振がもたらされる。 The in-plane velocity of this mode is highly dependent on the out-of-plane wave vector, the maximum velocity matches the in-phase mode (all joints vibrate in phase), and the minimum speed vibrates in the adjacent joints out of phase. Matches the reverse phase mode. Furthermore, in all of the above modes, the multiple reflections at the mesa side result in standing wave patterns and Fabry-Perot cavity resonances known as Fiske modes.
同相モードを除く全てにおいて、同じ表面では、平均電場は互いに打ち消し合うので、同相モードのみが検知可能な外部電磁波発生を生む。フィスケ共振を励起するために、ジョセフソン渦の移動格子がしばしば用いられる。しかしながら、渦同士の誘導相互作用にとっては三角形の渦格子構造が好都合であるが、この構造では、非電磁波発生性の逆相モードがもっぱら励起される。十分に狭いメサにおける側面作用、すなわち、高度駆動における動的作用によれば、同相モードを励起することが可能な方形対称を持つ渦格子の安定化が可能であろうという提案が為されたが、この提案の証明はまだ報告されていない。 In all but the common mode, on the same surface, the average electric field cancels each other, so that only the common mode generates detectable external electromagnetic waves. A Josephson vortex moving grid is often used to excite the Fiske resonance. However, a triangular vortex lattice structure is advantageous for inductive interaction between vortices, but in this structure, a non-electromagnetic wave-generating reverse phase mode is exclusively excited. A proposal was made that the side effect in a sufficiently narrow mesa, that is, the dynamic action at high drive, would enable stabilization of a vortex lattice with square symmetry that can excite the common mode. No proof of this proposal has been reported yet.
本発明においては、ジョセフソン接合部に局在する交番電磁場を、コヒーレントな、偏向性高周波電磁波に効率的に変換することを可能とする手段を開示する。我々の対処法は、ファブリ・ペロー空洞モードに対する接合部における波の結合に基づく。これは、二つの作用を持つ。すなわち、
(a)多数のジョセフソン接合部が同期して同相モードで動作するようになり、これは、非相関性接合部に観察されるような一次的ではなく、接合部の数と共に二次的に増加する、利用可能な電磁波エネルギーをもたらす。
(b)共振時、エネルギーは、同期モードに効率的に吸収され、空洞の品質係数に等しい係数だけ、その強度を強化する。この空洞の品質係数は、大きくすることが可能であり、かつ、最終的に、空洞における損失によってのみ制限されるだけである。
In the present invention, a means is disclosed that makes it possible to efficiently convert an alternating electromagnetic field localized at the Josephson junction into a coherent, deflectable high frequency electromagnetic wave. Our approach is based on the coupling of waves at the junction to the Fabry-Perot cavity mode. This has two effects. That is,
(A) A large number of Josephson junctions will operate synchronously in common mode, which is not primary as observed in uncorrelated junctions, but secondary with the number of junctions Increases available electromagnetic energy.
(B) At resonance, energy is efficiently absorbed into the synchronous mode, enhancing its strength by a factor equal to the quality factor of the cavity. The quality factor of this cavity can be increased and is ultimately limited only by the loss in the cavity.
上記のような接合部を有するデバイスの基本的対称性の分析から、接合部に対して垂直に流れる均一な電流は、共振空洞モードを励起することができないことが示されている。従って、電磁波発生源としてジョセフソン接合部を使用することに関連する従来技術は、接合部に対して平行に印加される磁場における動作をもっぱら検討している。次に、所謂ジョセフソン渦が、超伝導層の間に進入して対称性を破壊し、フィスケ共振として知られる共振が励起される。 Analysis of the basic symmetry of a device with a junction as described above shows that a uniform current flowing perpendicular to the junction cannot excite the resonant cavity mode. Therefore, the prior art related to using a Josephson junction as an electromagnetic wave generation source exclusively considers operation in a magnetic field applied parallel to the junction. Next, so-called Josephson vortices enter between the superconducting layers, breaking the symmetry and exciting a resonance known as Fiske resonance.
本発明においては、電流と電磁波モードの間に非均一的結合を形成することによって、対性を破り、ゼロ印加磁場における共振空洞モードの励起を可能とする。これは、例えば下記の方法によって実現が可能であるが、これに限定されない。
(a)BSCCOの組成の勾配は、メサの幅全体に渡って非均一臨界電流密度を誘発する。BSCCOの超伝導性(TC、JC、)は、その酸素含量に大きく依存する。従って、酸素雰囲気における調節的焼入れを用いることによって、一方の側面近傍では、反対の側面近傍よりも高くなる臨界電流密度を確立する。
(b)例えば、矩形ではなく台形を持つ、メサの非対称断面は、複数の側面において、非対称電流及び非対称反射係数を誘発する。
(c)非対称臨界電流分布はまた、メサの一側に対し、電子またはプロトンビームを照射することによって、または、イオンを注入することによって意図的に超伝導性を抑圧して確立することも可能である。
In the present invention, by forming a non-uniform coupling between the current and the electromagnetic wave mode, the pairing is broken and the resonance cavity mode can be excited in a zero applied magnetic field. This can be realized by, for example, the following method, but is not limited thereto.
(A) The BSCCO composition gradient induces a non-uniform critical current density across the width of the mesa. The superconductivity (TC, J C, ) of BSCCO is highly dependent on its oxygen content. Thus, by using controlled quenching in an oxygen atmosphere, a critical current density is established near one side that is higher than near the opposite side.
(B) For example, an asymmetric cross section of a mesa with a trapezoid rather than a rectangle induces an asymmetric current and an asymmetric reflection coefficient at multiple sides.
(C) An asymmetric critical current distribution can also be established by irradiating one side of the mesa with an electron or proton beam, or intentionally suppressing superconductivity by implanting ions. It is.
正確に同じ臨界電流変調を持つ同一層から構成される理想的メサの電磁波発生及び転送性質については、様々な変調プロフィールに関して評価することが可能である。 The electromagnetic generation and transfer properties of an ideal mesa composed of the same layer with exactly the same critical current modulation can be evaluated for various modulation profiles.
このような臨界電流変調は、均一振動を、メサ内部の基本モードと結合し、その結合強度は、積rDに比例する。メサの長さLは、発射される電磁波の波長よりも大きいか、少なくともほぼ等しくなければならない。メサ幅W及び準粒子導電性に依存する、高さHが、1乃至1.5μmよりも高いメサでは、電磁波発生損失はオーム損失を超える。この典型的高さよりも低いメサでは、共振における電磁波発生電力はH2に比例して増加する。背の高いメサでは、最大合計電磁波発生電力は、高さに依存せず、Pmax≒πJJ 2(rD)2L/ω[CGS単位]として推定することが可能である。 Such critical current modulation couples uniform vibration with the fundamental mode inside the mesa, and its coupling strength is proportional to the product rD. The length L of the mesa must be greater than or at least approximately equal to the wavelength of the emitted electromagnetic wave. In a mesa whose height H is higher than 1 to 1.5 μm, which depends on the mesa width W and the quasiparticle conductivity, the electromagnetic wave generation loss exceeds the ohmic loss. The lower mesas than the typical height, wave power generated at the resonance increases in proportion to H 2. In a tall mesa, the maximum total electromagnetic wave generation power can be estimated as P max ≈πJ J 2 (rD) 2 L / ω [CGS unit] without depending on the height.
現在、上記したような多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体BSCCO構造におけるメサ型の固有ジョセフソン接合からは、高強度の0.85THzまでの連続的で単色的なTHz放射線が抽出され得ることが判明している。 Currently, continuous mesochromatic THz radiation up to 0.85 THz with high intensity is extracted from the mesa-type intrinsic Josephson junction in the superconductor BSCCO structure having the multi-layered intrinsic Josephson junction as described above. It is known to get.
ここで、本願の発明者は、固有ジョセフソン接合BSCCO(Bi2Sr2CaCu2O8+δ)を用い、従来との比較においてパワーの大きさを一桁増大させたTHz帯電磁波発振装置を開発したのである。開発サンプルから放出された推定の合計パワーは0.648THzにて5μWであるが、これに加え第4次までの調波の電磁波発振(以下、適宜「発光」という)が2.589THzの最大周波数が観察された。発光パワーの特異な温度依存性は20乃至40Kの間で最大となることが見出されたことから、加熱による非平衡作用は、この系においてTHz放射線の原因となるコヒーレント状態の形成に対して重要な役割を果たし得ることが示されたのである。 Here, the inventor of the present application has developed a THz-band electromagnetic wave oscillation device that uses an intrinsic Josephson junction BSCCO (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ ) and increases the magnitude of power by an order of magnitude compared to the conventional one. It is. The estimated total power emitted from the development sample is 5 μW at 0.648 THz, but in addition to this, the electromagnetic wave oscillation of harmonics up to the fourth order (hereinafter referred to as “emission” as appropriate) has a maximum frequency of 2.589 THz. Was observed. Since the unique temperature dependence of the luminescence power was found to be greatest between 20 and 40 K, the non-equilibrium effect due to heating is related to the formation of coherent states responsible for THz radiation in this system. It has been shown that it can play an important role.
高温の超伝導体において、特に高度に層状化された異方性Bi2Sr2CaCu2O8+δ単結晶において本来的に存在する多重積層された固有ジョセフソン接合を用いてTHz周波数領域において、強力かつ単色的で連続的なEM波を生成する有望な方法を示す。そして、本願発明者による試作サンプルは、合計パワーで5μWもの高パワーの発光を得たのである。これは従来知られていた値よりも格段に高く且つ幾つかの商業的用途の要件を満足させる値である。線幅は非常に鋭く、且つ、それは、0.25cm−1=7.5GHzであるFT−IR(フーリエ変換赤外)の分解能により制限される。 In high-temperature superconductors, particularly in the THz frequency region using multi-layered intrinsic Josephson junctions inherently present in highly layered anisotropic Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ single crystals A promising method for generating monochromatic and continuous EM waves is shown. And the prototype sample by this inventor obtained light emission as high as 5 microwatts in total power. This is much higher than previously known and satisfies some commercial application requirements. The line width is very sharp and it is limited by the resolution of FT-IR (Fourier Transform Infrared), which is 0.25 cm −1 = 7.5 GHz.
本願発明者による実験結果により、周波数νを有する斯かる単色放射線は以下の単純な関係に従うことが明らかにされた。 Experimental results by the present inventor have revealed that such monochromatic radiation having a frequency ν follows the following simple relationship.
ν=c/nλ=c/2nw=2eV/hN (1) ν = c / nλ = c / 2 nw = 2 eV / hN (1)
上記式(1)中、cは真空中における光の速度、nは超伝導体の屈折率、λはメサにおいて生成されたEM波の波長、wはサンプルの幅、Vは固有ジョセフソン接合において現れる電圧、Nは固有ジョセフソン接合の個数、eおよびhは夫々電荷およびプランク定数を示す。 In the above formula (1), c is the speed of light in vacuum, n is the refractive index of the superconductor, λ is the wavelength of the EM wave generated in the mesa, w is the width of the sample, V is the intrinsic Josephson junction The voltage that appears, N is the number of intrinsic Josephson junctions, and e and h are the charge and Planck constant, respectively.
ところで、高次の調波に対して周波数はνm=mνにより与えられ、(1)式中、mは整数であり且つ調波のインデックスである。これらの単純な関係は、第1には、一定の共振モードを備えた共振キャビティのように超伝導体自体が作用し得ること、そして、第2には、放射線はac−ジョセフソン効果により生成されることが示されたのである。これらの高次の調波の強度は、インデックスmが増大するにつれて急速に低下するが、第4次調波においてさえも依然としてそれらは基本線と同じほど鋭い。第4次調波において観察された周波数は2.5THzを超える。 By the way, for higher harmonics, the frequency is given by ν m = mν, and in equation (1), m is an integer and is a harmonic index. These simple relationships are firstly that the superconductor itself can act like a resonant cavity with a constant resonant mode, and secondly, the radiation is generated by the ac-Josephson effect. It has been shown to be done. The intensity of these higher harmonics decreases rapidly as the index m increases, but they are still as sharp as the baseline even at the fourth harmonic. The frequency observed in the 4th harmonic exceeds 2.5 THz.
図1は、本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置の例を示すものである。そして、図1(a)は、「Bi2Sr2CaCu2O8+δ」の劈開面上に作成されたメサ構造の概略図を示す。図1(a)において、幅wは、100、80、60および40μmで変化する一方、長さは300μmにて一定である(A型)が、1個の試作サンプルは、w=60μmで長さが400μmである(T型)。そして、メサ高さは、1μmである。基礎となるBi2Sr2CaCu2O8+δ結晶の寸法は1乃至2mm×1mmであり、厚みは10μmである。そして、メサの頂部層は、電極として約100nm厚みで蒸着された金により覆われる一方、他の2個の電極はメサの底部から取り出された。 FIG. 1 shows an example of a terahertz band electromagnetic wave oscillation device according to the present invention. Then, FIG. 1 (a) shows a schematic diagram of a mesa structure that is created on the cleaved surface of the "Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ ". In FIG. 1A, the width w varies at 100, 80, 60 and 40 μm, while the length is constant at 300 μm (A type), but one prototype sample is long at w = 60 μm. Is 400 μm (T-type). The mesa height is 1 μm. The basic Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ crystal has a size of 1 to 2 mm × 1 mm and a thickness of 10 μm. The top layer of the mesa was then covered with gold deposited as an electrode with a thickness of about 100 nm, while the other two electrodes were taken from the bottom of the mesa.
図1(b)は、メサの3次元微分トポグラフAFM写真を示す。図1(b)において、台形状を形成するメサの基部における尾部構造が明確に見える。 FIG. 1 (b) shows a three-dimensional differential topographic AFM photograph of mesa. In FIG. 1 (b), the tail structure at the base of the mesa forming the trapezoid shape can be clearly seen.
図2は、60μm幅のメサ(T型)から得られたI−V曲線の例を示す。ここで、図2(A)は、矢印方向へと0.1mHzによりIをスキャンすることで獲得された全体的I−V曲線を示す。戻り分岐部においては、約0.9Vの電圧および約20mAの電流において凹みが明確に見られる(丸で囲まれている)。 FIG. 2 shows an example of an IV curve obtained from a mesa (T type) having a width of 60 μm. Here, FIG. 2 (A) shows the overall IV curve obtained by scanning I in the direction of the arrow at 0.1 mHz. In the return branch, a dent is clearly seen (circled) at a voltage of about 0.9 V and a current of about 20 mA.
図2(B)は、図2(A)に示された凹みの回りにおける拡大図であり、其処では強力な発光が観察される。V=0.8850VおよびI=19.83mAにて5μWの最高パワーが得られたのである。 FIG. 2 (B) is an enlarged view around the dent shown in FIG. 2 (A), where strong light emission is observed. The maximum power of 5 μW was obtained at V = 0.8850 V and I = 19.83 mA.
本願発明者は、固有ジョセフソン接合系Bi2Sr2CaCu2O8+δにおいて生ずる上記した顕著な実験成果を呈示すると共に、高次の調波のスペクトルを分析することにより、上記現象の一定の知見、特に、THz周波数における斯かる強力かつ連続的で単色的な電磁波の放出のメカニズムに関する知見を説明する。 The inventor of the present application presents the above-mentioned remarkable experimental results occurring in the intrinsic Josephson junction system Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ , and analyzes the spectrum of higher harmonics to obtain a certain knowledge of the above phenomenon. In particular, the knowledge about the mechanism of the emission of such strong, continuous and monochromatic electromagnetic waves at THz frequencies will be described.
従来から、固有ジョセフソン接合を用いたTHz周波数におけるEM波生成に対する探求が多くの研究者により行われてきたが、それらの内、理論的かつ実験的な研究の殆どは磁界中で行われてきた。その一つの研究結果として、サンプル内における定常EM波の励起に対応するフィスケ・ステップの観察が報告されている。さらに、最近では、別体的な検出器を用いた発光の更に直接的な測定が報告されており、Bi2Sr2CaCu2O8+δ単結晶自体において生ずる共振シャピロステップを用いて固有ジョセフソン接合の積層物を検出器として使用した例が知られている。 Traditionally, many researchers have explored EM wave generation at THz frequencies using intrinsic Josephson junctions, but most of these theoretical and experimental studies have been conducted in a magnetic field. It was. As one of the research results, the observation of the Fiske step corresponding to the excitation of the stationary EM wave in the sample has been reported. In addition, more direct measurements of emission using a separate detector have recently been reported, and intrinsic Josephson junctions using resonant Shapiro steps that occur in the Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ single crystal itself. An example in which a laminate of the above is used as a detector is known.
しかし、ゼロ磁界においては、幾つかの報告のみがなされており、その一つとして、約0.5THzにおける放射線の直接的観察例が知られている。この場合の推定パワーは、本願発明において得られた大きさよりも数桁小さい。概略的に、従前の測定の全てにおいて観察されたパワーは、検出のためにはスーパーヘテロダイン方法の如き特殊で洗練された技術が必要とされるほどに小さいことから、応用の発展が著しく阻害されていたのである。 However, in the zero magnetic field, only some reports have been made, and one example is a direct observation example of radiation at about 0.5 THz. The estimated power in this case is several orders of magnitude smaller than the magnitude obtained in the present invention. In general, the power observed in all previous measurements is so small that special and sophisticated techniques such as superheterodyne methods are required for detection, which significantly hinders the development of applications. It was.
本願発明の実験において使用されたサンプルは、移動フロート領域法により成長された劈開単結晶Bi2Sr2CaCu2O8+δの断片からアルゴンイオン食刻およびフォトリソグラフ技術により作製されたメサである。 The sample used in the experiments of the present invention is a mesa produced by argon ion etching and photolithographic techniques from cleaved single crystal Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ fragments grown by the moving float region method.
ここでは、超伝導遷移温度は75〜85K間に在ることから、試作サンプルはおそらくは高真空下の作製プロセスの故に僅かにドープ不足状態であることが示されたものの、それらはメサ作製の前は初期Tcが90Kを有していたからである。それ故に、臨界ジョセフソン電流は低く、100A/cm2以下である。 Here, the superconducting transition temperature is between 75 and 85K, indicating that the prototype samples are slightly underdoped, probably due to the fabrication process under high vacuum, but before the mesa fabrication This is because the initial Tc had 90K. Therefore, the critical Josephson current is low, 100 A / cm 2 or less.
このことは、ジョセフソン・プラズマ周波数ωpもまた低く、νp=ωp/2π≦70GHzと推定され得ることを意味する。その理由は、ωp=c/√ελcだからであり、式中、c=2.9979×1010cm/秒、εが17.54、λc≒170μmである。このジョセフソン・プラズマ周波数は、現在において観察されている発光の周波数よりも相当に低いことを銘記されたい。 This means that the Josephson plasma frequency ω p is also low and can be estimated as ν p = ω p / 2π ≦ 70 GHz. This is because ω p = c / √ελ c , where c = 2.99979 × 10 10 cm / sec, ε is 17.54, and λ c ≈170 μm. Note that this Josephson plasma frequency is significantly lower than the emission frequency currently observed.
これまでに調製かつ研究されたメサの横方向寸法は、矩形の形状により長さが300μmで幅がw=100、80、60および40μmであり(A型)且つ長さが400μmで幅がw=60μm(T型)であり、全てのメサにおいて高さは〜1.0μmである。 The lateral dimensions of the mesas prepared and studied so far are 300 μm in length and w = 100, 80, 60 and 40 μm (A type) due to the rectangular shape and 400 μm in length and w in width = 60 μm (T-type) and the height of all mesas is ˜1.0 μm.
図1(a)には、上記メサの概略図が示される。高さの精度はアルゴンイオン食刻プロセスの間における食刻速度の較正に依存すると共に、3%以内である。
我々のメサにおいては、図1(b)に示された如くAFM(原子間力顕微鏡、KEYENCE、日本)によるトポグラフ的考察により基部において相当の末尾効果が見出された。上記メサの断面のこの台形状は、アルゴンイオン食刻プロセスに依るものである。
FIG. 1A shows a schematic view of the mesa. The accuracy of the height depends on the calibration of the etching rate during the argon ion etching process and is within 3%.
In our mesa, as shown in FIG. 1 (b), a considerable tail effect was found at the base by topographical considerations by AFM (Atomic Force Microscope, KEYENCE, Japan). This trapezoidal shape of the mesa cross section depends on the argon ion etching process.
図2(A)において、本願発明に係る60μmサイズのメサ(T型)の電流−電圧(I−V)曲線の典型例を示す。上記曲線は、大きなヒステリシスを示すと共に、丸により示された如く戻り分岐部上で電圧において強い凹み状の異形を有する。この領域は、図2(B)において拡大尺度で示され、其処で我々は、以下において詳細に論じられる公知の大きさよりも約1桁だけ強い大きさを備えた強烈な放射線を観察したのである。 FIG. 2A shows a typical example of a current-voltage (IV) curve of a mesa (T type) having a size of 60 μm according to the present invention. The curve shows a large hysteresis and has a strong dent profile at the voltage on the return branch as indicated by the circle. This region is shown on an enlarged scale in FIG. 2B, where we have observed intense radiation with a magnitude about an order of magnitude stronger than the known magnitudes discussed in detail below. .
図2(B)においては、検出された放射線パワーも任意尺度により表示されている。上記I−V曲線を接近して見ると、電流および電圧の状態が発光点の近傍であるときに電流ならびに電圧が変動していることは明らかである。但し、それが発光を一旦開始したなら、電流および電圧は一定かつ時的に安定となる。 In FIG. 2B, the detected radiation power is also displayed on an arbitrary scale. Looking closely at the IV curve, it is clear that the current and voltage fluctuate when the current and voltage are in the vicinity of the light emitting point. However, once it starts emitting light, the current and voltage are constant and stable over time.
上記メサのIcより高い電流および電圧の領域にて、I−V曲線は強い負の微分抵抗を示している。上記メサの推定温度はTcさえも超過する。これは、直流電流による加熱効果が過酷であり且つ上記メサの底部における超伝導サンプルの熱伝導率が不十分だからと考察される。 At regions of high current and voltage I c of the mesa, I-V curve shows a strong negative differential resistance. The estimated temperature of the mesa exceeds even T c . This is considered because the heating effect by direct current is severe and the thermal conductivity of the superconducting sample at the bottom of the mesa is insufficient.
図3は、本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置の40Kにおける60μmのメサ(T型)からの発光のパワー・スペクトルを示す。図3に示すように、第4次までの調波が観察される。図3において、縦座標は、対数尺度でプロットされていることを銘記されたい。差込み図は、に対して使用されたw=60μmを有する1個のサンプル(◆で記入)およびw=100μm(●)および60μm(▼)を有する2個のサンプルという3個の異なるサンプルに対して観察された発光パワーの温度依存性を示している。強度は最大値にて正規化されている。 FIG. 3 shows a power spectrum of light emitted from a 60 μm mesa (T type) at 40 K of the terahertz band electromagnetic wave oscillation device according to the present invention. As shown in FIG. 3, harmonics up to the fourth order are observed. Note in FIG. 3 that the ordinate is plotted on a logarithmic scale. The inset is for three different samples: one sample with w = 60 μm (filled with ◆) and two samples with w = 100 μm (●) and 60 μm (▼) used for This shows the temperature dependence of the emission power observed. The intensity is normalized by the maximum value.
放射線は、図2(B)に示された如く一定の電圧にて式(1)の発光条件が満足されたとき、戻り分岐部においてのみ生ずる。分光器の180°逆側に配置された別の検出器により合理的なパワーをもって放射線が検出されたとき、FT−IR分光器が動作されてスペクトルが獲得された。ここで、FT−IR分光器(JASCO FARIS−I)は、THz周波数領域に対してのみ設計され、0.25cm−1の分解能により2〜650cm−1の測定が可能とされる。 Radiation is generated only at the return branch when the light emission condition of Formula (1) is satisfied at a constant voltage as shown in FIG. When radiation was detected with reasonable power by another detector placed 180 ° opposite the spectrometer, the FT-IR spectrometer was activated to acquire the spectrum. Here, FT-IR spectrometer (JASCO FARIS-I) is designed only for THz frequency range, is possible to measure the 2~650Cm -1 by resolution of 0.25 cm -1.
図3には、高次の調波を含むデータの典型例が示され、その場合に放射線は10乃至20分間のFT−IR測定の間において連続的に受信される。ここでは、発振の安定性を試験するために2時間以上に亙り連続的に測定を行った。しかし、この動作試験中においてパワー及び周波数の顕著な変化は一切見られなかった。 FIG. 3 shows a typical example of data including higher order harmonics, where radiation is continuously received during a 10-20 minute FT-IR measurement. Here, in order to test the stability of oscillation, measurement was continuously performed over 2 hours. However, no significant changes in power and frequency were observed during this operation test.
図3に提供された60μmのメサの放射線パワー・スペクトルにおいては、第4次までの高次の調波が明確に示される。0.6482GHzの周波数を有する強烈な基本発光ラインの一方、観察された最大周波数は第4次調波の2.589THzに到達する。これらの調波に加え、m=15までの更なる高次の調波の存在の弱い異形暗示が視認され得る。上記周波数の精度は0.01cm−1より良好であり、且つ、線幅は我々のFT−IR機器の実験分解能限界(≦0.25cm−1=7.50GHz)により制限される。観察された周波数および強度は表1に要約される。 In the radiation power spectrum of the 60 μm mesa provided in FIG. 3, the higher harmonics up to the fourth order are clearly shown. One of the intense fundamental emission lines with a frequency of 0.6482 GHz, while the observed maximum frequency reaches the fourth harmonic of 2.589 THz. In addition to these harmonics, a weak variant suggestion of the presence of further higher harmonics up to m = 15 can be seen. The accuracy of the frequency is better than 0.01 cm −1 and the line width is limited by the experimental resolution limit (≦ 0.25 cm −1 = 7.50 GHz) of our FT-IR instrument. The observed frequencies and intensities are summarized in Table 1.
表1は、60μmのメサから得られた基本発光線および高次の調波の特性を示すものであり、kは発光の波数、νは対応周波数、Δνは対応線幅を表し、Im/I1は基本線により正規化された線強度である。 Table 1 shows the characteristics of the fundamental emission line and higher harmonics obtained from a 60 μm mesa, k is the wave number of the emission, ν is the corresponding frequency, Δν is the corresponding line width, and I m / I 1 is the line intensity normalized by the basic line.
図3の差込み図においては、3個のサンプル(2個はA型から、1個はT型から)に対する発光強度の温度依存性が比較されている。これまでに測定されたサンプルの全ては、20乃至45Kの間に最大発光を有するという類似の傾向を有している。最大発光の温度はサンプルに依存すると共に、冷却条件などの実験条件に感応することを銘記する必要がある。このことは、この放射現象のメカニズムに関与する非平衡効果の重要な役割を強く表している。 In the inset of FIG. 3, the temperature dependence of the emission intensity for three samples (two from A type and one from T type) is compared. All of the samples measured so far have a similar tendency to have a maximum emission between 20 and 45K. It should be noted that the maximum emission temperature depends on the sample and is sensitive to experimental conditions such as cooling conditions. This strongly represents an important role of the nonequilibrium effect involved in the mechanism of this radiation phenomenon.
図2に示されたI−V曲線に見られるように、放射線は、Vの10%より広いこともある一定範囲内の電圧で連続的に生ずる。この電圧範囲内において、放射線周波数が測定され且つスペクトルが分析された。それは電圧Vと共に線形に変化するが、Vに依存して強度は相当に変化することを見出した。更に、周波数は電圧Vに比例し、図4に示された如く2e/h=483.594GHz/mVの係数によりacジョセフソン関係に従うのである。この観察により、交流ジョセフソン効果はTHzのEM波の放出の駆動メカニズムとして作用することが確実とされる。 As can be seen in the IV curve shown in FIG. 2, the radiation occurs continuously at a voltage within a certain range, which may be greater than 10% of V. Within this voltage range, the radiation frequency was measured and the spectrum was analyzed. It has been found that it varies linearly with voltage V, but the intensity varies considerably depending on V. Further, the frequency is proportional to the voltage V and follows the ac Josephson relation with a coefficient of 2e / h = 483.594 GHz / mV as shown in FIG. This observation ensures that the AC Josephson effect acts as a driving mechanism for the emission of THz EM waves.
ジョセフソン電流の非線形性の故に、図3および表1に示された高次の調波が出現することが期待されると共に、実験結果は以下の如く説明され得る。acジョセフソン電流は超伝導CuO2層間にてジョセフソン周波数ωJをもって発振電圧を誘起する。各層の位相差はθ(t)=ωJt+υsinωJtにより与えられ、式中、υは静的電圧Vに対するacジョセフソン電圧の比率である。故に、ジョセフソン電流Jは以下の如く表現される。 Due to the nonlinearity of the Josephson current, the higher order harmonics shown in FIG. 3 and Table 1 are expected to appear and the experimental results can be explained as follows. The ac Josephson current induces an oscillation voltage with a Josephson frequency ω J between the superconducting CuO 2 layers. Phase difference of each layer is given by θ (t) = ω J t + υsinω J t, where, upsilon is the ratio of the ac Josephson voltage for static voltage V. Therefore, the Josephson current J is expressed as follows.
J=Jcsin(ωJt+υsinωJt)
=Jc[{J0(υ)−J2(υ)}sinωJt+{J1(υ)+J3(υ)}×
sin2ωJt+{J2(υ)−J4(υ)}sin3ωJt+{J3(υ)+J5(υ)}sin4ωJt]+・・・, (2)
J = J c sin (ω J t + υsin ω J t)
= J c [{J 0 (υ) −J 2 (υ)} sinω J t + {J 1 (υ) + J 3 (υ)} ×
sin2ω J t + {J 2 (υ) −J 4 (υ)} sin 3ω J t + {J 3 (υ) + J 5 (υ)} sin 4ω J t] +..., (2)
式(2)中、Jn(υ)は第n次のベッセル関数である。合計発光パワーは、Jの空間的平均に比例することから、高次の調波の強度はυの空間的変動に強く依存する。それ故、高次の調波を詳細に分析すれば、この系におけるTHz発光のメカニズムを理解するための決定的情報が提供されこととなる。 In equation (2), J n (υ) is an nth order Bessel function. Since the total light emission power is proportional to the spatial average of J, the intensity of higher order harmonics strongly depends on the spatial variation of υ. Therefore, a detailed analysis of higher harmonics provides definitive information for understanding the mechanism of THz emission in this system.
次に、サンプルメサから放出される合計パワーPを推定した。EM波は、ボロメータの窓部が1.27cmの直径を有するチョッパを50%の効率で伝搬し、且つ、Si検出器に到達する。故に、上記検出器にて受信されたパワーPobsは効率定数eeffによりP=eeffPobsとして表現され得る。 Next, the total power P emitted from the sample mesa was estimated. The EM wave propagates with a 50% efficiency through a chopper whose bolometer window has a diameter of 1.27 cm and reaches the Si detector. Therefore, the power P obs received by the detector can be expressed as P = e eff P obs by the efficiency constant e eff .
この値は、機器の幾何学的構成からeeff=5.7×103と推定され得る。観察されたパワーは、Voutは検出器からの出力電圧であり且つS=2.19×105V/WとしてPobs=Vout/Sとして表現され得ることから、Siボロメータの較正定数は約0.2mVであり、これはP≒5μWの値に繋がる。 This value can be estimated from the geometry of the device as e eff = 5.7 × 10 3 . Since the observed power is V out is the output voltage from the detector and can be expressed as P obs = V out / S as S = 2.19 × 10 5 V / W, the calibration constant of the Si bolometer is This is about 0.2 mV, which leads to a value of P≈5 μW.
上記メサに対して供給された合計パワーは略々15mWであることから、これは、〜3×10−4の効率に帰着する。但し、更に厳密とするためには、発光パワーの角分布が考慮されねばならない。 This results in an efficiency of ˜3 × 10 −4 since the total power delivered to the mesa is approximately 15 mW. However, in order to make it more strict, the angular distribution of the light emission power must be taken into account.
結論として、本願発明において、単結晶質Bi2Sr2CaCu2O8+δの固有ジョセフソン接合メサによりTHz周波数にて強烈かつ連続的で単色的な電磁波を生成するという新規な手法を示すことができた。ここで、従来技術と比較して概ね1桁大きい5μWまで発光の合計パワーを相当に増大することに成功したのである。そして、0.6482THzの基本周波数の高次の調波は、2.5THzを超える第4次まで観察された。 In conclusion, in the present invention, a novel technique of generating intense, continuous and monochromatic electromagnetic waves at the THz frequency by the intrinsic Josephson junction mesa of monocrystalline Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ can be shown. It was. Here, the total power of light emission was successfully increased to 5 μW, which is approximately an order of magnitude larger than that of the prior art. Then, higher-order harmonics having a fundamental frequency of 0.6482 THz were observed up to the fourth order exceeding 2.5 THz.
発光周波数は、式(1)により記述される単純な関係により決定されると共に、観察される高次の調波は、υが偶関数として式(2)により説明され得る。ここで、加熱効果は決定的であり上記生成メカニズムに対して重要な役割を果たし得ることを指摘する。この問題は、最終的に所謂1乃至5THz帯域の“THz技術ギャップ”を克服する最適条件を見出すことにより解決され得るのである。 The emission frequency is determined by a simple relationship described by equation (1), and the observed higher order harmonics can be described by equation (2) where υ is an even function. Here, it is pointed out that the heating effect is decisive and can play an important role for the generation mechanism. This problem can be solved by finding an optimum condition that ultimately overcomes the so-called “THZ technology gap” in the 1-5 THz band.
図4は、メサに対して印加された電圧の関数としての周波数を示す。ラインは2つの異なる温度におけるacジョセフソン関係を示している。 FIG. 4 shows the frequency as a function of the voltage applied to the mesa. The line shows the ac Josephson relationship at two different temperatures.
以上詳しく説明したように、本発明に係るテラヘルツ帯域の電磁波発振装置は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体BSCCO構造の単結晶体により形成され、前記単結晶体が発振するテラヘルツ帯域電磁波の基本波の高次調波を利用することを特徴とする。これにより、所謂“THzギャップ”と言われる特に1乃至5THz周波数帯域の単色的でありコヒーレントの強力且つ連続的な電磁波を生成する実用的なTHz帯電磁波発振装置の提供を可能にしたのである。 As described above in detail, the terahertz band electromagnetic wave oscillation device according to the present invention is formed of a single crystal having a superconductor BSCCO structure having a multi-layered intrinsic Josephson junction, and the terahertz band in which the single crystal is oscillated. It is characterized by using higher harmonics of the fundamental wave of electromagnetic waves. This makes it possible to provide a practical THz band electromagnetic wave oscillation device that generates a monochromatic, coherent, strong and continuous electromagnetic wave, particularly in the 1 to 5 THz frequency band, so-called “THZ gap”.
本発明は、テラヘルツ帯電磁波、特に1乃至5THz帯域の電磁波発振装置に関するものであり、物理化学的な分光測定器、種々の分子、高分子、タンパク質などの同定、精緻なイメージング分野、医療及び診断装置、航空宇宙又は防衛分野、高速度通信等に幅広く利用される広範な応用分野において産業上の利用可能性を有する。 The present invention relates to terahertz electromagnetic waves, particularly 1 to 5 THz electromagnetic wave oscillators, physicochemical spectrometers, identification of various molecules, polymers, proteins, etc., elaborate imaging fields, medicine and diagnostics. It has industrial applicability in a wide range of application fields widely used in equipment, aerospace or defense fields, high-speed communications, and the like.
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