[論文レビュー] Plasmonics without losses? (the case for terahertz superconducting plasmonics)

A. Tsiatmas, V. Fedotov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2011

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、従来のプラズモニクスにおける光学的損失の問題を解決するため、超伝導体の零抵抗特性を活用して低損失の表面プラズモン波を支持するテラヘルツ超伝導プラズモニクスを提案している。著者らは理論的に、超伝導体材料が最小限の減衰でテラヘルツプラズモンをガイドできることを示しており、効率的でコンパクトなテラヘルツ情報処理回路の実現が可能である。

ABSTRACT

Superconductors support low-loss surface plasmon waves that could become information carriers in compact terahertz data processing circuits.

研究の動機と目的

• テラヘルツ周波数帯における従来のプラズモニックシステムの根本的課題である光学的損失に対処すること。
• 超伝導体材料がテラヘルツ帯域で低損失の表面プラズモン波を支持できるかどうかを調査すること。
• 超伝導プラズモニクスに基づく、新しいテラヘルツ統合回路のプラットフォームを提唱すること。
• 超伝導体の固有の性質を活用して、超コンパクトで低損失のテラヘルツ情報処理の可能性を実証すること。
• 今後の実験的実現に向けた、テラヘルツ帯域における損失のないプラズモニックデバイスの理論的基盤を提供すること。

提案手法

• テラヘルツ周波数帯域における超伝導体と誘電体の界面での表面プラズモン極性波の理論的分析。
• 低温における超伝導体の電磁応答をモデル化するため、ロンドン方程式とマティス＝バーディーン理論の使用。
• 超伝導体の複素誘電率を用いて、表面プラズモンモードの伝搬定数および減衰定数の計算。
• テラヘルツスペクトル全域における、超伝導体材料と通常金属のプラズモニック損失の比較。
• 超伝導薄膜を用いたプラズモニック波ガイドのモデル化により、閉じ込め具合と伝搬長の評価。
• 超伝導ギャップおよび臨界温度がプラズモニック損失特性に与える影響の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導体材料は、テラヘルツ周波数帯域で、無視できるほどの損失で表面プラズモン波を支持できるか？
• RQ2 超伝導体の固有の零抵抗特性が、プラズモンの伝搬および閉じ込めにどのように影響するか？
• RQ3 従来の金属と比較して、超伝導体波ガイドにおけるテラヘルツプラズモンの伝搬長の理論的限界は何か？
• RQ4 超伝導ギャップや臨界温度といった材料パrameterが、プラズモニック性能にどのように影響するか？
• RQ5 超伝導プラズモニクスは、どの程度までコンパクトで低損失のテラヘルツ統合回路を実現可能にするか？

主な発見

• 超伝導体は、テラヘルツ帯域において通常金属と比較して著しく低い伝搬損失で表面プラズモン波を支持する。
• 理論的分析により、低温において超伝導体のプラズモンの減衰定数がゼロに近づくことが示され、ほぼ損失のない伝搬が可能である。
• 超伝導プラズモニック波ガイドにおける伝搬長は、低温下で数百ミクロンを超えることが予測されており、従来のプラズモニックシステムをはるかに上回る。
• 超伝導ギャップはエネルギー散逸を最小限に抑える上で重要な役割を果たし、ギャップ端近くで最適な性能が得られる。
• 酸化バリウムカルシウム銅酸化物（YBCO）を含む高臨界温度超伝導体の使用により、実用的なテラヘルツプラズモニックデバイスの実現可能性が向上する。
• 理論的モデルにより、超伝導プラズモニクスが、放射損失および抵抗損失を最小限に抑えながら強い電場閉じ込めを実現できることを確認した。