[論文レビュー] Optimal Condition for Strong Terahertz Radiation from Intrinsic Josephson Junctions

Feng Liu, Shi‐Zeng Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 43被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、誘電体材料に長いBi2Sr2CaCu2O8+δ（BSCCO）インティリジェンスジョセフソン接合円筒体を埋め込むことで、放射面積を拡大しキャビティを形成することにより、テラヘルツ（THz）放射出力の向上を提案する。放射出力がジョセフソンプラズマの散逸に等しくなる条件で最適な誘電率が得られ、出力は超伝導電流またはギャップエネルギーの二乗を正規抵抗で割ったものに比例して最大化される。

ABSTRACT

In order to enhance the radiation power in terahertz band based on the intrinsic Josephson junctions of Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$ single crystal, we investigate a long cylindrical sample embedded in a dielectric material. Tuning the dielectric constant, the radiation power has a maximum which is achieved when it equals the dissipation caused by Josephson plasma. This yields the optimal dielectric constant of wrapping material in terms of the properties of BSCCO single crystal. The maximal radiation power is found proportional to the product of the typical superconducting current squared and the typical normal resistance, or the gap energy squared divided by the typical normal resistance, which offers a guideline for choosing superconductor as a source of strong radiation. By introducing an anti-reflection layer, we can build a compact device with the BSCCO cylinder and two wrapping dielectric layers with finite thicknesses.

研究の動機と目的

• BSCCO単結晶中のインティリジェンスジョセフソン接合（IJJ）からのテラヘルツ放射出力を、メイサ厚さが小さいため制限されていることから向上させること。
• 長尺な円筒形BSCCO試料を誘電体媒体に埋め込んだ場合、キャビティモードの形成および放射効率に与える影響を調査すること。
• コherentなTHz放射出力を最大にするために、包囲材の最適誘電率を特定すること。
• 超伝導体の内在的パラメータと関連づけた、IJJを用いた高出力THz源の設計指針を提供すること。

提案手法

• BSCCO円筒体と誘電体コーティングから形成されるキャビティモードの複素固有波数およびQ値を求めるために、マクスウェル方程式を解く。
• カップルドサインゴルドン方程式を用いてIJJの位相ダイナミクスをモデル化し、dc電流とキャビティモードの強力な結合を可能にするπキンク状態を組み込む。
• 放射出力とシステム内でのプラズマ散逸をバランスさせることで、誘電率の関数としての放射出力を導出する。
• 反射損失を低減し放射指向性を向上させるために、有限厚さのアンチリフレクション（AR）コーティング層を導入する。
• ハンケル関数および界面における連続条件を用いて、ARコーティング付き系における円筒波の反射率および透過率を計算する。
• ベッセル関数のロンスキアン恒等式を適用し、ARコーティング構造内の透過係数計算を簡略化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長尺なBSCCO円筒体からのTHz放射出力を最大にするために、包囲材の最適誘電率は何か？
• RQ2 周囲の誘電体の誘電率にどのように依存するか、キャビティモード構造およびQ値は？
• RQ3 放射出力と超伝導電流、正規抵抗、ギャップエネルギーなどの内在的パラメータとの関係は？
• RQ4 アンチリフレクションコーティングは、円筒形IJJベースTHz源の放射効率を向上させることができるか？
• RQ5 IJJ内のπキンク状態は、dc電流とキャビティモードの強力な結合をどのように可能にし、放射を増強するか？

主な発見

• 放射出力は、包囲材の誘電率を調整することで、放射出力とジョセフソンプラズマ散逸出力が等しくなる条件で最大に達する。
• 最適誘電率は、BSCCO単結晶の内在的特性、特にプラズマ周波数と正規抵抗に依存する。
• 最大放射出力は、典型的な超伝導電流の二乗と典型的な正規抵抗に比例する。
• あるいは、最大放射出力は、超伝導ギャップエネルギーの二乗を正規抵抗で割ったものに比例する。
• アンチリフレクションコーティングは反射損失を低減し、BSCCO円筒体の周囲に有限厚さの誘電体層を設けることで、コンactかつ効率的なデバイス実現を可能にする。
• 理論的枠組みにより、強いcoherentなTHz放射を達成するための超伝導体および誘電体材料の選定に定量的設計指針を提供する。