[論文レビュー] Radiation from a Josephson STAR-emitter

Richard A. Klemm, Kazuo Kadowaki|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用数 54

ひとこと要約

本稿は、内在的ジョセフソン接合スタックにおける位相整合な交流ジョセフソン電流に基づき、ジョセフソンSTAR発光素子の放射モデルを提案する。空間的に非一様な電流分布がキャビティモードを励起し、基底周波数と高調波の線形偏光放射を生じさせ、その角度依存性は基板の性質に依存することを示している。主な貢献は、円筒型および長方形型メサにおける基本波および高調波放射を統一的に説明するモデルであり、位相整合性と基板効果が放射出力および偏光パターンを顕著に変化させることを明らかにしている。

ABSTRACT

We calculate the angular dependence of the radiation-zone output power and electric polarization of stimulated terahertz amplified radiation (STAR) emitted from a $dc$ voltage applied across cylindrical and rectangular stacks of intrinsic Josephson junctions. During coherent emission, a spatially uniform $ac$ Josephson current density in the stack acts as a surface electric current density antenna source, leading to an harmonic radiation frequency spectrum, as in experiment, but absent in all cavity modesl of cylindrical mesas. Spatial fluctuations of the $ac$ Josephson current cause its fundamental mode to lock onto the lowest finite energy cylindrical cavity mode, causing it to resonate, leading to a non-uniform magnetic surface current density radiation source, and a non-trivial combined fundamental frequency output power with linear polarization We also present a model of the superconducting substrate, and present results for rectangular mesas.

研究の動機と目的

• 直流電圧バイアス下での内在的ジョセフソン接合スタックからのスティムレートドテラヘルツ増幅放射（STAR）の放射角度依存性および偏光を説明すること。
• 実験的観察とキャビティモードモデルとの間に生じる矛盾、特に円筒型メサのモデルで高調波スペクトルが観測されない問題を解消すること。
• 交流ジョセフソン電流の空間的フラクチュエーションが、最低エネルギーのキャビティモードと共振し、非一様な表面電流放射源を生成する仕組みを解明すること。
• 超伝導基板を完全な磁気導体としてモデル化し、その放射出力および角度分布への影響を評価すること。
• 基本波および高調波放射の角度依存測定を用いて、位相整合性および基板効果を定量的に検証するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 交流ジョセフソン電流を表面電流密度アンテナ源としてモデル化し、空間的フラクチュエーションが最低有限エネルギーの円筒キャビティモードにロックする仕組みを提示する。
• 球座標系を用いて放射領域におけるベクトルポテンシャルおよび放射場を導出する。均一および非均一電流寄与を両方含む。
• 非一様磁気表面電流源からの放射の不整合結合と整合的結合をそれぞれモデル化したI型およびII型の2つのモデルを導入し、それぞれ異なる角度方向の出力パワー分布を示す。
• 円筒型および長方形型メサにこの形式を適用し、円筒幾何構造では高調波が他のキャビティモードと非常に弱く結合するが、長方形幾何構造では空間的に変化するモードが励起され得ることを示す。
• 超伝導基板を完全な磁気導体としてモデル化することで、基板効果を組み込み、放射パターンを変更し、特に基板に平行な方向の放射出力を低減する。
• 放射領域の場の式を用い、電気的および磁気的表面電流密度項を含む。角度関数 $ S_n^J( heta) $, $ S_n^M( heta) $ および波数と放射角に依存する位相因子を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ円筒型メサにおける高調波放射の実験的観察は、基本周波数放射しか予測しないキャビティモデルと矛盾するのか？
• RQ2 交流ジョセフソン電流の空間的フラクチュエーションが、特定のキャビティモードと共振し、非一様な放射源を生成するメカニズムは何か？
• RQ3 円筒型および長方形型ジョセフソンメサ構造における基本波および高調波放射の出力パワーおよび偏光の角度依存性は何か？
• RQ4 完全な磁気導体としてモデル化された超伝導基板の存在が、STAR発光素子の放射パターンおよび全出力パワーにどのように影響を与えるか？
• RQ5 均一および非均一電流源からの合成放射の位相整合性はどの程度であり、その定量的測定はどのように可能か？

主な発見

• 非均一な交流ジョセフソン電流は最低有限エネルギーの円筒キャビティモードにロックされ、共鳴的で非均一な磁気表面電流密度を生成し、実験と整合する高調波スペクトルを発生させる。
• 円筒型メサでは、高調波が他のキャビティモードと非常に弱く結合するため、すべての高調波で線形偏光放射が維持される。
• 長方形型メサでは、基本波および高調波モードが空間的に変化する電流分布によって励起され、合成放射出力は完全または部分的に位相整合する可能性がある。
• 基板を完全な磁気導体としてモデル化すると、STAR発光素子の出力パワーが低下し、特に基板に平行な方向の放射パターンが変化する。
• 特に円筒型メサからの第二高調波の角度依存測定は、基板モデルを検証する定量的手段となり得る。既存のBi2Sr2CaCu2O8+δ結晶を完全な電気的導体上に配置した場合、5 mWを超える放射出力が予測される。
• 合成放射源の位相整合性は関数 $ C_n^i( heta, heta) $, $ D_n^i( heta, heta) $, および $ E_n^i( heta, heta) $ で特徴づけられ、モデルI（境界条件を保存）とモデルII（空間的位置で平均化）で異なる挙動を示す。