[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出将长的Bi2Sr2CaCu2O8+δ（BSCCO）本征约瑟夫森结圆柱体嵌入介电材料中，通过增大辐射面积并形成谐振腔来增强太赫兹（THz）辐射功率。当辐射功率等于约瑟夫森等离子体耗散功率时，获得最优介电常数，此时输出功率与超导电流或能隙能量的平方成正比，与正常电阻成反比。

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.

研究动机与目标

• 为增强BSCCO单晶中本征约瑟夫森结（IJJs）的太赫兹辐射功率，解决因台面厚度较小导致的限制问题。
• 研究将长圆柱形BSCCO样品嵌入介电介质后对谐振模形成和辐射效率的影响。
• 确定包裹材料的最优介电常数，以最大化相干太赫兹辐射功率。
• 通过将辐射功率与本征超导体参数关联，为基于IJJs的高功率太赫兹源提供设计指导。

提出的方法

• 求解麦克斯韦方程组，以确定由BSCCO圆柱体与介电包覆形成的谐振模的复特征波数和品质因数。
• 利用耦合的sine-Gordon方程对IJJs的相位动力学进行建模，引入π扭结态以实现直流电流与谐振模之间的强耦合。
• 通过平衡系统中的辐射功率与等离子体耗散功率，推导出辐射功率关于介电常数的函数表达式。
• 引入具有有限厚度的抗反射（AR）涂层层，以减少反射损耗并提高辐射方向性。
• 利用汉克尔函数和界面处的连续性条件，计算AR涂层系统中圆柱波传播的反射率与透射率。
• 应用贝塞尔函数的朗斯基安恒等式，简化AR涂层结构中的透射系数计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 使长BSCCO圆柱体的太赫兹辐射功率最大的包裹材料最优介电常数是多少？
• RQ2 谐振模结构和品质因数如何依赖于周围介质的介电常数？
• RQ3 辐射功率与超导电流、正常电阻和能隙能量等本征参数之间存在何种关系？
• RQ4 抗反射涂层能否提高基于圆柱形IJJs的太赫兹源的辐射效率？
• RQ5 IJJs中的π扭结态如何实现直流电流与谐振模之间的强耦合以增强辐射？

主要发现

• 当包裹材料的介电常数被调节至辐射功率等于约瑟夫森等离子体耗散功率时，辐射功率达到最大值。
• 最优介电常数由BSCCO单晶的本征特性决定，特别是其等离子体频率和正常电阻。
• 最大辐射功率与典型超导电流的平方成正比，与典型正常电阻成反比。
• 或者，最大辐射功率与超导能隙能量的平方成正比，与正常电阻成反比。
• 抗反射涂层可减少反射损耗，并实现紧凑高效的器件结构，其介电层具有有限厚度并包覆在BSCCO圆柱体周围。
• 理论框架为选择超导体和介电材料以实现强相干太赫兹辐射提供了定量设计指导。