(57)【要約】【課題】ＴＨｚ帯において、数ｍＷ程度の連続高出力発振が可能で、種々の計測や分析に使用することができるジョセフソン素子、すなわち、ジョセフソンスターエミッタを提供する。【解決手段】ジョセフソン素子において、メサ１を、半導体、絶縁体、または、完全導体からなる基板２上に構築して構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジョセフソン素子であって、
メサは、半導体、または、絶縁体からなる基板上に構築されて構成されている
ことを特徴とするジョセフソンスターエミッタ。
【請求項２】
ジョセフソン素子であって、
メサは、完全導体基板上に構築されて構成されている
ことを特徴とするジョセフソンスターエミッタ。
【請求項３】
ジョセフソン素子であって、
メサは、基板上に、結晶のａｂ面が基板表面に垂直になり、かつ、メサの短い辺が基板表面に対して垂直とされて配置されている
ことを特徴とするジョセフソンスターエミッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン素子の出力を増大させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ジョセフソン素子を動作させるためには、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋ｄ（ＢＳＣＣＯ）の単結晶に固有に内在する６００層乃至１０００層の積層したジョセフソン接合に直流電流（直流電圧）を与えなければならない。
【０００３】
図４は、（ａ）がＪｓとＭｓ表面電流源を持つメサの模式図であり、（ｂ）が直流電流Ｉ０，電圧Ｖ０とその中を流れるＩａｃ。を持つメサの模式図である。曲線ｃは、アンペアの法則を満たす境界条件についての積分路である。
【０００４】
現状において、ジョセフソン素子の発振源は、図４に示すように、単結晶を劈開して作られたメサ１０１であり、基板１０２を成している単結晶の一部に作られている。
【０００５】
このようなメサ１０１から放射されるコヒーレントなテラヘルツ波（０．３ＴＨｚ乃至１０ＴＨｚ）の実験結果によれば、その出力は、基板１０１の面に垂直な方向から測定された角度θが３０°乃至４０°で最大となり、９０°方向（基板１０１に平行な方向）で消失するように見える。
【０００６】
図４中の（ａ）に示すように、主な放射源が、メサ１０１に垂直な交流ジョセフソン電流（電流密度Ｍｓ）から作られる交流電場から発生する有効表面磁場であると仮定すると、出力は、メサ１０１の真上の０°で最大となる。これは、横磁場空洞モードのために基板１０２の種類にはよらず、基板１０２の表面上で、Ｈ／／，ａｃ（ｔ）＝０が自動的に満たされ、θ＝９０°で出力は消失することになる。
【０００７】
図５は、円板状メサの場合、計算で求められた磁気および電気的源からのｋ１ａ＝π／２を持つ基本波に関する輻射ゾーン強度Ｉ（θ）（強度は任意）〔（Ａ）と（Ｂ）にそれぞれ対応〕の角度θ依存性の極表示である。電気的源と磁気的源を相対的に強度パラメータａ（０）＝０．２で重畳した出力で絶縁体基盤の場合を（Ｃ）、超伝導体基盤の場合を（Ｄ）に示す。ｋ１ａ（ａは円板の半径を意味する）は内部で発生する電磁波の波数ベクトル、θは基板の真上を０°とし、基板面を９０°とする。
【０００８】
図６は、矩形状メサの場合、計算で求められた基本波（ｋ１ｗ＝π）に関する輻射ゾーン強度Ｉ（θ，  ０）（強度は任意）〔（Ａ）と（Ｂ）にそれぞれ対応〕の角度θ依存性の極表示である。基板が絶縁体の場合、磁気的源（Ｍｓ）だけの場合を（Ａ）に、電気的源と磁気的源を重畳したものを（Ｂ）に示す。超伝導基板で電気的源および磁気的源を重畳した場合を（Ｃ）に示す。電気的源と磁気的源を相対的に強度パラメーターはａ（０）＝０．２とする。
【０００９】
θ＝９０°で出力が消失する様子は、絶縁体からなる基板１０２上にある円板と矩形のメサ１０１の場合について、それぞれ図５と図６の曲線（Ａ）に描かれている。基板１０２の主要な効果は、基板１０２の上部の半分に出力を制約することにある。したがって、基板１０２の物理的な性質によらず、Ｍｓが放射源でありさえすれば、最大出力の方向は、θ＝０°となる。
【００１０】
ここで、交流ジョセフソン電流Ｉａｃから発生する有効電場による表面電流密度Ｊｓを第２の放射源として仮定する。図４（ａ）には、２つの表面電流密度がある場合の図が描かれている。これら表面電流密度Ｊｓを放射源とした場合、メサ１０１が円板である場合には、図５（Ｂ）に示されているように、出力は０°で消失するが、放射源であるＭｓと組み合わせることによって、図５（Ｃ）の曲線で示されるように、また、矩形メサの場合は図６の曲線（Ｂ）に示すように、実験的に観測される角度θｍａｘ≒３０°乃至４０°において最大値をとる。
【００１１】
しかしながら、メサ１０１が絶縁体からなる基板１０２上にある場合、円板では、図５の曲線（Ｂ）や曲線（Ｃ）に示すように、また、矩形では、図６の曲線（Ｂ）に示すように、θ＝９０°で表面電流密度Ｊｓからかなりの強度の出力が得られることになり、実験結果と一致しない。しかし、実際のメサ１０１は、超伝導基板の上にあるので、超伝導基板によって放射出力がどのようになるか、境界条件を理解することが重要となる。
【００１２】
図４中の（ｂ）に、重要な境界条件を明確にするため、本質的な点だけを示す。超伝導基板１０２上にはメサ１０１があり、その基板１０２は、高温超伝導体ＢＳＣＣＯである。超伝導基板１０２の上端部から、直流電流Ｉ０を加えると、それに伴ってメサ１０１の両端に電圧Ｖ０が発生する。メサ１０１の内部では、交流ジョセフソン電流Ｉａｃが生じ、この電流は一様でコヒーレントであると仮定する。このような状態は、コヒーレントな放射が起こる前の非平衡過程が続く間に振幅が増大し、励起が起こったことになる。
【００１３】
電流Ｉ０と電圧Ｖ０は直流であるから、Ｉａｃはメサ１０１の内部に閉じこめられている。したがって、基板１０２上には、交流表面電流は無く、Ｋｓ，ａｃ＝０である。超伝導基板１０２の内部の深いところ（表皮効果の深さ以上に深い領域）（ＢＳＣＣＯでは約０．１５μｍ）では、交流マイスナー効果によって、Ｂ／／，ａｃ＝０が保障されている。これ以上には交流磁場の源は無いので、アンペールの法則を、図４中の（ｂ）の積分曲線ｃに沿って適用すると、超伝導基板の直上の表面では、Ｈ／／，ａｃ＝０が保障されることになる。これは、厳密に完全磁気導体（ＰＭＣ）の条件である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
【００１５】
前述のようなジョセフソン素子について、ＪｓとＭｓに関して超伝導基板の効果を、鏡映法を用いて計算してみる。
【００１６】
図７は、ＰＭＣ基板の場合の電気的源と磁気的源の方向の実像と鏡像の関係の模式図である。
【００１７】
鏡映法を使うと、交流ジョセフソン電流Ｊｓは、図７に示すように、メサ１０１の内部では一様と仮定し、メサ１０１に対して垂直方向であり、超伝導体基板１０２の内部で符号が逆の鏡像電流−Ｊｓを作る。この鏡像ジョセフソン電流は、メサ１０１の高さと等しいｈだけ、基板１０２の内部に広がっている。この状況は、図７の最も左側の図に示されている。この鏡像電流によって、θ＝９０°では、Ｊｓによる出力が完全に打ち消し合い、全体で出力が角度θで（πｈcosθ／ｗ）２の因子分、弱くなってしまう。ここで、ｗは、メサ１０１の幅である。
【００１８】
図７の最も右側に示されているように、基板１０２の表面に平行な磁気的な源Ｍｓの場合も、ＰＭＣ基板１０２による鏡像は、実際の源の方向と反対向きである。したがって、両者の源からの出力を重ね合わせると、超伝導基板では、（πｈcosθ／ｗ）２の因子だけ減少してしまう。実験で調べられているメサ１０１は、ｈ≒１μｍであり、ｗ≒６０μｍであるので、減少する因子は最大出力の方向θｍａｘで１．６ｘ１０−３に達する。この因子のために、θ＝０°から離れていて極大となるはずの出力がθ＝９０°で消失してしまう。
【００１９】
前述のようなジョセフソン素子においては、出力は数μＷ程度であり、より高出力のジョセフソン素子が求められている。
【００２０】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、ＴＨｚ帯において、数ｍＷ程度の連続高出力発振が可能で、種々の計測や分析に使用することができるジョセフソン素子、すなわち、ジョセフソンスターエミッタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述の課題を解決するため、本発明に係るジョセフソンスターエミッタ（ＳＴＡＲ emitter：Stimulated Terahertz Amplified Radiation emitter）は、以下の構成の少なくとも一を備えるものである。
【００２２】
〔構成１〕
ジョセフソン素子であって、メサは、半導体、または、絶縁体からなる基板上に構築されて構成されていることを特徴とするものである。
【００２３】
〔構成２〕
ジョセフソン素子であって、メサは、完全導体基板上に構築されて構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
〔構成３〕
ジョセフソン素子であって、メサは、基板上に、結晶のａｂ面が基板表面に垂直になり、かつ、メサの短い辺が基板表面に対して垂直とされて配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
構成１を有するジョセフソンスターエミッタにおいては、メサが、半導体、または、絶縁体からなる基板上に構築されているので、基板による出力の消失が阻害され、出力が増大する。
【００２６】
構成２を有するジョセフソンスターエミッタにおいては、メサが、完全導体基板上に構築されているので、基板による出力の消失が阻害され、出力が増大する。
【００２７】
構成３を有するジョセフソンスターエミッタにおいては、メサは、結晶のａｂ面を基板表面に垂直とし、かつ、メサの短い辺を基板表面に対して垂直として配置されているので、基板による出力の消失が阻害され、出力が増大する。
【００２８】
すなわち、本発明は、ＴＨｚ帯において、数ｍＷ程度の連続高出力発振が可能で、種々の計測や分析に使用することができるジョセフソン素子、すなわち、ジョセフソンスターエミッタを提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３０】
本発明に係るジョセフソンスターエミッタ（ＳＴＡＲ emitter：Stimulated Terahertz Amplified Radiation emitter）は、出力を増大させるため、放射するジョセフソン接合の積層状態に対して適当な基板を選択している。その一つの方法は、真空か、Ｓｉのような半導体か、サファイヤのような絶縁体のいずれかを選ぶことである。一般的にいえば、これら真空、半導体、または、絶縁体をどのように組み合わせたものでもよく、出力は、前述した小さな値の逆数である６００倍に増大されると期待される。
【００３１】
図１は、半導体または絶縁体上に構築されたＢＳＣＣＯメサの模式図である。
【００３２】
すなわち、本発明に係るジョセフソンスターエミッタは、図１に示すように、ＢＳＣＣＯメサ１が、半導体または絶縁体からなる基板２上に構築されて構成されている。
【００３３】
図２は、金（Ａｕ）のような完全導体基板（ＰＥＣ）上に構築されたＢＳＣＣＯメサの模式図である。
【００３４】
しかしながら、より良い方法は、図２に示すように、基板２としてメサ１のあらゆる周囲方向に広がった通常と同じ完全な電気導体（ＰＥＣ）を用いることである。金（Ａｕ）のようなＰＥＣでも鏡映法を使うことができるが、図７の上半分に示されるような実際の源の方向は、完全磁気導体（ＰＭＣ）基板の場合の図７の下半分で示されるものと厳密に逆向きになる。特に、図４に示す２つの構成の場合、ＰＥＣ基板の鏡映は実際の源と全く同等である。このように、ＰＥＣ基板の場合、全体の出力はさらに４倍得られることになるので、最終的には出力は２４００倍に増大することになる。
【００３５】
このＰＥＣ基板２は、ＢＳＣＣＯ基板上に蒸着された２次的な基板でも、厚さが動作温度でＴＨｚ周波数帯の表皮の深さより厚ければそれでよい。ＰＥＣ基板を最適放射出力の温度でＴＨｚ周波数領域の表皮の深さより厚く皮膜すれば、ＰＥＣ基板としてはどのようなものでもよく、例えば、ＢＳＣＣＯでもよい。
【００３６】
また、例えば、ＰＥＣ基板２を銅（Ｃｕ）とした場合には、ＢＳＣＣＯ基板がその下層にあるという境界条件を克服するためには、０．２ｍｍ以上の膜厚が必要である。この構成は、実際の製造上においては経済的な構成である。
【００３７】
図３は、超伝導体や他のＰＭＣ基板、たとえばＢＳＣＣＯのような基板上に構築されたメサの模式図である。
【００３８】
また、このジョセフソンスターエミッタにおける最適な配置は、図３に示すように、ＢＳＣＣＯメサ１を基板２に結晶のａｂ面が垂直になるように、かつ、短い辺を基板２に垂直に立てる配置である。
【００３９】
図７から、メサ１が基板２から切り離されており、基板１とメサ２とが垂直になるように配置されている場合には、ＢＳＣＣＯのような超伝導基板（ＰＭＣ）を使うことも可能である。矩形のメサの場合、電流源Ｊｓは、図７の左側の図と同等であるが、磁気電流源Ｍｓの鏡映像は、それよりもっと複雑である。基板に垂直になっているメサの角には、図７の右側の図に示すように、それに垂直なＭｓもある。これら両者の鏡像は、互いに反対向きである。したがって、幅よりもずっと長い矩形のメサの場合には、短い方の縁において基板上に立て、全体を超伝導体に垂直になるように配置することによって、出力が大きく増大する。この場合、絶縁体基板の場合のほぼ４倍の出力が得られ、超伝導基板上にある既存のメサのそれに対し、２０００倍近く増大する。
【００４０】
また、このジョセフソンスターエミッタにおいては、ＢＳＣＣＯメサをＢＳＣＣＯのような超伝導基板（ＰＭＣ）上に従来と同様に水平に構築した後に、超伝導基板（ＰＭＣ）を、メサの少なくとも一方の側縁部に沿って切断して構成してもよい。この場合にも、基板が切断された側の出力は、基板による影響か抑えられ、高出力となる。
【００４１】
従来のジョセフソン素子のメサは、いずれも超伝導基板上にあり、出力として約５μＷが得られている。入力電力が約１５ｍＷであるから、効率としては、約３×１０−４程度である。本発明においては、約２４００倍の因子によって、理想的な効率の３０％乃至６０％として、出力は、５ｍＷ乃至１２ｍＷ程度とすることができる。この値は、多くの応用分野において十分な値である。
【００４２】
さらに、このような高出力のＢＳＣＣＯメサのアンテナアレイを構成することによって、複数のメサをコヒーレントに放射させることができれば、さらに出力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】半導体または絶縁体上に構築されたＢＳＣＣＯメサの模式図である。
【図２】金（Ａｕ）のような完全導体基板（ＰＥＣ）上に構築されたＢＳＣＣＯメサの模式図である。
【図３】超伝導体や他のＰＭＣ基板、たとえばＢＳＣＣＯのような基板上に構築されたメサの模式図である。
【図４】（ａ）は、ＪｓとＭｓ表面電流源を持つメサの模式図であり、（ｂ）は、直流電流Ｉ０，電圧Ｖ０とその中を流れるＩａｃ。を持つメサの模式図である。
【図５】円板状メサの場合、計算で求められた磁気および電気的源からのｋ１ａ＝π／２を持つ基本波に関する輻射ゾーン強度Ｉ（θ）の角度θ依存性の極表示である。
【図６】矩形状メサの場合、計算で求められた基本波（ｋ１ｗ＝π）に関する輻射ゾーン強度Ｉ（θ，０）の角度θ依存性の極表示である。
【図７】ＰＭＣ基板の場合の電気的源と磁気的源の方向の実像と鏡像の関係の模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  メサ
２  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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