[论文解读] 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 54

一句话总结

本文提出了一种基于本征约瑟夫森结堆中相干交流约瑟夫森电流的约瑟夫森STAR发射器辐射模型，表明空间非均匀的电流分布可激发腔模，产生线性偏振、频率谐波的辐射，其角度依赖性取决于基底材料特性。关键贡献在于提出了一个统一模型，解释了圆柱形和矩形小丘中基波与谐波辐射的产生机制，相干性和基底效应显著改变了输出功率与偏振模式。

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.

研究动机与目标

• 解释在直流电压偏置下，本征约瑟夫森结堆发射的受激太赫兹放大辐射（STAR）的角依赖性与偏振特性。
• 解决实验观测与腔模模型之间的矛盾，特别是圆柱形小丘模型中未观测到谐波谱的问题。
• 研究交流约瑟夫森电流的空间涨落如何导致与最低能量腔模共振，从而产生非均匀表面电流辐射源。
• 通过将超导基底建模为理想磁导体，建立其对辐射功率与角分布影响的模型。
• 提供一个定量测试相干性与基底效应的框架，通过测量基波与谐波辐射的角依赖性实现。

提出的方法

• 将交流约瑟夫森电流建模为表面电偶极子电流密度天线源，其空间涨落导致锁定至最低有限能量的圆柱形腔模。
• 利用球坐标系推导辐射区的矢量势与辐射场，同时包含均匀与非均匀电流贡献。
• 提出两种模型（I与II），分别对应均匀电流与非均匀磁表面电流源辐射的非相干与相干叠加，其角功率分布具有显著差异。
• 将该形式化方法应用于圆柱形与矩形小丘，表明在圆柱形几何中，高阶谐波与腔模的耦合极弱，但可在矩形几何中激发空间变化的模态。
• 通过将超导基底建模为理想磁导体，引入基底效应，从而改变辐射图案并降低输出功率，尤其在平行于基底方向的辐射中更为显著。
• 使用辐射区场的方程，包含电与磁表面电流密度项，结合角函数 $ S_n^J( heta) $、$ S_n^M( heta) $ 及与波矢和辐射角相关的相位因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何实验观测到的圆柱形小丘中谐波辐射与仅预测基波发射的腔模模型相矛盾？
• RQ2 交流约瑟夫森电流的空间涨落如何导致与特定腔模共振，并产生非均匀辐射源？
• RQ3 在圆柱形与矩形约瑟夫森小丘结构中，基波与谐波辐射的输出功率与偏振的角依赖性如何？
• RQ4 当将超导基底建模为理想磁导体时，其如何改变STAR发射器的辐射图案与总输出功率？
• RQ5 均匀与非均匀电流源的联合辐射在多大程度上具有相干性？该相干性如何实现定量测量？

主要发现

• 非均匀交流约瑟夫森电流锁定至最低有限能量的圆柱形腔模，产生共振的非均匀磁表面电流密度，从而生成与实验一致的谐波辐射谱。
• 在圆柱形小丘中，高阶谐波与其它腔模的耦合极弱，所有谐波的辐射保持线性偏振。
• 在矩形小丘中，基波与谐波模态通过空间变化的电流分布被激发，导致联合辐射输出可能完全或部分相干。
• 将基底建模为理想磁导体可降低STAR发射器的输出功率并改变其角依赖性，尤其在平行于基底方向的辐射中更为显著。
• 通过定量测量角依赖性——特别是圆柱形小丘中第二谐波的测量——可验证基底模型，现有Bi2Sr2CaCu2O8+δ晶体在理想电导体上预计可发射超过5 mW的功率。
• 联合辐射源的相干性由函数 $ C_n^i( heta, heta) $、$ D_n^i( heta, heta) $ 与 $ E_n^i( heta, heta) $ 描述，在模型I（保持边界条件）与模型II（对空间位置取平均）中表现出不同行为。