[논문 리뷰] Radiation from a Josephson STAR-emitter

Richard A. Klemm, Kazuo Kadowaki|arXiv (Cornell University)|2009. 08. 27.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 3인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 내재된 조지프슨 접합 스택에서의 응집된 교류 조지프슨 전류를 기반으로 한 조지프슨 STAR-방출기용 복사 모델을 제안하며, 공간적으로 비균일한 전류 분포가 공진모드를 자극하여 선형 편광, 주파수 고조파 복사, 기판 성질에 따라 달라지는 각도 의존성을 유도함을 보여준다. 주요 기여는 원통형 및 직사각형 메사에서 기본파 및 고조파 복사를 통합적으로 설명하는 모델이며, 응집성과 기판 효과가 복사 출력과 편광 패턴을 크게 변화시킴을 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 직류 전압 편류 하에서 내재된 조지프슨 접합 스택으로부터 방출되는 자극된 테라헤르츠 증폭 복사(STAR)의 각도 의존성과 편광성을 설명하기 위해.
• 실험적 관측과 공진모델 간의 모순, 특히 원통형 메사 모델에서 고조파 스펙트럼이 나타나지 않는 문제를 해결하기 위해.
• 교류 조지프슨 전류의 공간적 변동이 가장 낮은 에너지 공진모드와 공명을 일으키고, 비균일한 표면 전류 복사 소스를 생성하는 방식을 조사하기 위해.
• 초전도체 기판을 이상적인 자성 도체로 모델링하여 복사 출력과 각도 분포에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 기본파 및 고조파 복사의 각도 의존성 측정을 통해 응집성과 기판 효과를 정량적으로 테스트할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 공진모드에 고정되는 공간적 변동을 가진 교류 조지프슨 전류를 표면 전기 전류 밀도 안테나 소스로 모델링하며, 이는 가장 낮은 유한 에너지 원통형 공진모드에 고정됨을 의미한다.
• 구좌표계를 사용하여 복사 영역의 벡터 포텐셜과 복사장을 유도하며, 균일한 및 비균일한 전류 기여를 모두 포함한다.
• 비균일한 자기 표면 전류 소스와 균일한 전류 소스의 복사 조합을 위한 두 가지 모델(I 및 II)을 도입하며, 각각 다른 각도의 출력 분포를 가진다.
• 이 형식을 원통형 및 직사각형 메사에 적용하여, 원통형 기하학에서는 고조파가 다른 공진모드와 매우 약하게 결합하지만, 직사각형 기하학에서는 공간적으로 변하는 모드를 자극할 수 있음을 보여준다.
• 초전도체 기판을 이상적인 자성 도체로 모델링하여 복사 패턴을 수정하고, 특히 기판에 평행한 방향에서의 출력을 감소시킴으로써 기판 효과를 통합한다.
• 복사 영역의 장을 위한 방정식을 사용하며, 전기 및 자기 표면 전류 밀도 항을 포함하고, 각도 함수 $ S_n^J( heta) $, $ S_n^M( heta) $ 및 파동 수와 방출 각도에 의존하는 단위 요소를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 실험적 관측에서는 원통형 메사에서 고조파 복사를 관측하지만, 공진모델은 기본 주파수 방출만 예측하는가?
• RQ2 교류 조지프슨 전류의 공간적 변동이 특정 공진모드와 공명을 일으키고, 비균일한 복사 소스를 생성하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 원통형 및 직사각형 조지프슨 메사에서 기본파 및 고조파 복사의 출력 전력과 편광의 각도 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ4 초전도체 기판(이상적인 자성 도체로 모델링)이 존재할 경우, STAR-방출기의 복사 패턴과 총 출력 전력은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 균일한 전류 소스와 비균일한 전류 소스의 복합 복사가 어느 정도 응집되어 있으며, 이러한 응집성은 어떻게 정량적으로 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 비균일한 교류 조지프슨 전류는 가장 낮은 유한 에너지 원통형 공진모드에 고정되어 공진적 비균일한 자기 표면 전류 밀도를 생성하며, 이는 실험과 일치하는 고조파 복사 스펙트럼을 유도한다.
• 원통형 메사에서는 고조파가 다른 공진모드와 매우 약하게 결합하며, 모든 고조파에서 선형 편광이 유지된다.
• 직사각형 메사에서는 기본파 및 고조파 모드가 공간적으로 변하는 전류 분포를 통해 자극되며, 이로 인해 복합 복사 출력이 완전히 또는 부분적으로 응집될 수 있다.
• 기판을 이상적인 자성 도체로 모델링하면 STAR-방출기의 출력 전력이 감소하고, 특히 기판에 평행한 방향에서의 각도 의존성이 변화한다.
• 정량적 각도 의존성 측정, 특히 원통형 메사에서의 두 번째 고조파 측정을 통해 기판 모델을 검증할 수 있으며, 기존의 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 결정을 이상 전도체 기판 위에 놓을 경우 5 mW 이상의 복사를 방출할 것으로 예측된다.
• 복합 복사 소스의 응집성은 함수 $ C_n^i( heta, heta) $, $ D_n^i( heta, heta) $, $ E_n^i( heta, heta) $ 로 특징지어지며, 모델 I(경계 조건 유지)와 모델 II(공간 위치 평균화)에서 각각 다른 행동을 보인다.