(57)【要約】【課題】容易に周波数が可変で、コヒーレントな周波数特性を持つ放射強度の強い連続テラヘルツ電磁波を生成することが可能な連続テラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法を提供すること。【手段】  超伝導層４と絶縁体層５とが第１の方向に積層された高温超伝導体１を有する連続テラヘルツ電磁波発生装置Ｇは、高温超伝導体１が超伝導状態になる臨界温度以下の温度において、高温超伝導体１に第１の方向に対して垂直な方向に外部磁場を加える外部磁場付加装置１４、１４´と、高温超伝導体１に第１の方向に直流電流を流す直流電源１２とを具備する。絶縁体層４の電気抵抗と外部磁場の磁束の運動による誘導起電力を利用し、高温超伝導体１の電圧と電流量とを調整することで、高温超伝導体１内に発生した、第１の方向に縦波成分が少なく節の無いジョセフソンプラズマを高温超伝導体１の端面８からテラヘルツ周波数帯の連続電磁波として発振させる。【選択図】  図２
2005251863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導層と絶縁体層とが第１の方向に積層された高温超伝導体を有する連続テラヘルツ電磁波発生装置であって、
前記高温超伝導体が超伝導状態になる臨界温度以下の温度において、前記高温超伝導体に前記第１の方向に対して垂直な方向に外部磁場を加えるための外部磁場付加装置と、
前記高温超伝導体に前記第１の方向に直流電流を流すための直流電源と、
を具備し、前記絶縁体層の電気抵抗と前記外部磁場の磁束の運動とによる誘導起電力を利用し、前記高温超伝導体に加わる電圧と前記高温超伝導体に流れる電流量とを調整して、前記高温超伝導体内に、前記第１の方向に縦波成分が少なく節の無いジョセフソンプラズマを発生させ、前記高温超伝導体の端面から前記ジョセフソンプラズマをテラヘルツ周波数帯の連続電磁波として発振させることを特徴とする連続テラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
請求項1に記載の連続テラヘルツ電磁波発生装置であって、前記直流電源に接続され且つ前記高温超伝導体を挟むよう設けられた一対の電極を更に備えることを特徴とする連続テラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
冷却装置内に設置されたことを特徴とする、請求項1に記載の連続テラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
前記高温超伝導体の前記端面に接するように設けられ、前記連続電磁波を導くための誘導装置を更に備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の連続テラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項５】
超伝導層と絶縁体層とが第１の方向に積層された高温超伝導体を用いて連続テラヘルツ電磁波を発生させる方法であって、
前記高温超伝導体が超伝導状態になる臨界温度以下の温度において、前記高温超伝導体に前記第１の方向に対して垂直な方向に外部磁場を加えるステップと、
前記第１の方向に直流電流を流すステップと、
を具備し、前記絶縁体層の電気抵抗と前記外部磁場の磁束の運動とによる誘導起電力を利用し、前記高温超伝導体に加わる電圧と前記高温超伝導体に流れる電流量とを調整して、前記高温超伝導体内に、前記第１の方向に縦波成分が少なく節の無いジョセフソンプラズマを発生させ、前記高温超伝導体の端面から前記ジョセフソンプラズマをテラヘルツ周波数帯の連続電磁波として発振させることを特徴とする連続テラヘルツ電磁波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容易に周波数が可変で、コヒーレントな周波数特性を持ち且つ放射強度の強いテラヘルツ電磁波を連続的に発生することが可能な連続テラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波は、光波とミリ波電磁波の間の未開拓領域つまり０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの領域にあり、未利用の電波の周波数帯であって、高い透過性を有し、しかも物体を細かく見ることのできるサブミリの微細波長を有し、さらに様々な生体分子等の励起振動数帯にある。その結果、テラヘルツ電磁波と生体分子等が相互作用すると、生体分子等が活性化され、化学反応を起こしたり光を発生したりする。
【０００３】
これまで、連続的なテラヘルツ電磁波の発生装置としては、ピコ秒以下のキャリヤ寿命を有する低温成長ＧａＡｓ薄膜における光伝導効果を用いて、２つのレーザー光の光混合を行う光混合法を利用するもの（非特許文献１参照）、量子井戸構造サブバンド間光学線遷移をベースにした量子カスケードレーザ（非特許文献２参照）、ジョセフソン結合を複数電気回路で結合したジョセフソン結合アレイ装置（非特許文献３参照）、準粒子注入による非平衡超伝導体からのテラヘルツ電磁波生装置（非特許文献４）がある。
【非特許文献１】Ｅ．Ｒ．ブラウン他３名、「低温成長ＧａＡｓでの３．８ＴＨｚまでの光混合（Photomixing up to 3.8 THz in low-temperature-grown GaAs）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．３、２８５−２８７、（Ｊａｎ．  １９９５）
【非特許文献２】Ｒ．コーラー他８名、「超格子テラヘルツ量子カスケードレーザーの高性能連続波動作（High-performance continuous-wave operation of superlattice terahertz quantum-cascade lasers）」Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．１０、１５１８−１５２０、（Ｍａｒ．  ２００３）
【非特許文献３】Ｂ．バシック他３名、「コヒーレントミリ波放射の高効率源としてのジョセフソン結合アレイ（Josephson-junction arrays as high-efficiency sources of coherent millimeter-wave radiation）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．７８、Ｎｏ．８、１１３７−１１３９、（Ｆｅｂ．  ２００１）
【非特許文献４】イグチ他２名、「準粒子のトンネル注入による不平衡マイクロ波放射（Nonequilibrium microwave emission due to tunnel injection of quasiparticles）」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、Ｖｏｌ．６１、Ｎｏ．１、６８９−６９３（Ｊａｎ．、２０００）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の連続テラヘルツ電磁波発生装置には、次のような問題があった。連続テラヘルツ電磁波発生装置を種々の分野において有効に利用するためには、連続テラヘルツ電磁波の周波数を広い範囲にわたって連続的且つ容易に変更することができること、コヒーレントな周波数特性を有し且つミリワット級の強い放射強度を持つ連続テラヘルツ電磁波を生成できること、及び、連続テラヘルツ波発生装置が小型であることが必要である。しかしながら、上記の光混合法では、周波数が高くなると急速に出力が低下し、１ＴＨｚで出力が１００ｎＷ程度と非常に弱い。また、量子カスケードレーザは出力は強いが装置ごとに周波数が固定されており、２ＴＨｚ以下では放射強度が急速に低下する。しかも、光混合法や量子カスケードレーザはレーザーのための光学系部分が必要なため、小型化が困難であるという問題がある。
【０００５】
また、ジョセフソン結合アレイ装置は放射強度の大きいテラへルツ電磁波を放射することができるが、原理的に周波数の上限は１ＴＨｚ以下である。さらに、準粒子注入による非平衡超伝導からテラヘルツ電磁波を生成するのでは、生成されるテラヘルツ電磁波の出力が非常に小さい。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑み、従来の連続テラヘルツ電磁波発生装置の持つ問題点を解決するために提案されたものであって、本発明の目的は、容易に周波数が可変で、コヒーレントな周波数特性を持つ放射強度の強い連続テラヘルツ電磁波を生成することが可能な連続テラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明は、高温超伝導体において、超伝導状態になる臨界温度Ｔｃ以下で、高温超伝導体のａｂ面（後述）に平行に外部磁場をかけ、ｃ軸（後述）方向に外部直流電流を流すことによって、絶縁体層の電気抵抗と磁束の運動とによる誘導起電力を利用し、且つ、高温超伝導体に印加される電圧と高温超伝導体に流れる電流量とを調整し、ＡＣジョセフソン効果（これについては非特許文献５参照）によって０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数範囲にわたってコヒーレントな周波数を持ち、ｃ軸方向に縦波成分が少なく、節の無いジョセフソンプラズマを励起させることにより、高温超伝導体表面からジョセフソンプラズマをコヒーレントな周波数を持つテラヘルツ振動数帯の連続電磁波として発振させ、外部に取り出す。
【非特許文献５】Ｂ．Ｄ．ジョセフソン、「超伝導トネリングにおける可能な新たな効果（Possible New Effects in Superconductive Tunneling）」、Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．７、２５１−２５３（Ｊｕｌｙ、１９６２）。
【０００８】
従って、本願の請求項１の発明は、
超伝導層と絶縁体層とが第１の方向に積層された高温超伝導体を有する連続テラヘルツ電磁波発生装置であって、
前記高温超伝導体が超伝導状態になる臨界温度以下の温度において、前記高温超伝導体に前記第１の方向に対して垂直な方向に外部磁場を加えるための外部磁場付加装置と、
前記第１の方向に直流電流を流すための直流電源と、
を具備し、前記絶縁体層の電気抵抗と前記外部磁場の磁束の運動による誘導起電力を利用し、前記高温超伝導体に加わる電圧と前記高温超伝導体に流れる電流量とを調整して、前記高温超伝導体内に、前記第１の方向に縦波成分が少なく節が無いジョセフソンプラズマを発生させ、前記高温超伝導体の端面から前記ジョセフソンプラズマをテラヘルツ周波数帯の連続電磁波として発振させることを特徴とする連続テラヘルツ電磁波発生装置、
を提供する。
【０００９】
請求項２の発明は、前記直流電源に接続され且つ前記高温超伝導体を挟むよう設けられた一対の電極を備えることを特徴とする。
請求項３の発明は、連続テラヘルツ電磁波発生装置を冷却装置内に設置したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、前記高温超伝導体の前記端面に接するように設けられ、前記連続電磁波を導くための誘導装置を更に備えることを特徴とする。
請求項５の発明は、
超伝導層と絶縁体層とが第１の方向に積層された高温超伝導体を用いて連続テラヘルツ電磁波を発生させる方法であって、
前記高温超伝導体が超伝導状態になる臨界温度以下の温度において、前記高温超伝導体に前記第１の方向に対して垂直な方向に外部磁場を加えるステップと、
前記第１の方向に直流電流を流すステップと、
を具備し、前記絶縁体層の電気抵抗と前記外部磁場の磁束の運動による誘導起電力を利用し、前記高温超伝導体に加わる電圧と前記高温超伝導体に流れる電流量とを調整して、前記高温超伝導体内に、前記第１の方向に縦波成分が少なく節のないジョセフソンプラズマを発生させ、前記高温超伝導体の端面から前記ジョセフソンプラズマをテラヘルツ周波数帯の連続電磁波として発振させることを特徴とする連続テラヘルツ電磁波発生方法、
を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図を参照しながら、本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置の一つの実施の形態を説明する。
（１）ジョセフソンプラズマの励起メカニズム
まず、図１を用いてジョセフソンプラズマの励起メカニズムについて説明する。図１は、直方体の高温超伝導体1に外部直流電流２を流すとともに外部磁場３を付加した状態を示している。高温超伝導体１は、超伝導層４と絶縁体層５とを互い違いに所要の数だけ層状に重ね合わせた構造を持っている。
【００１２】
高温超伝導体1に外部より電流を流すとともに磁場を付加することによってエネルギーを与えて、高温超伝導体１の内部にジョセフソンプラズマ６という、ジョセフソン電流と電磁波とが結合したエネルギーの高い状態（つまり励起状態）の波が生成される。このジョセフソンプラズマの周波数帯はテラヘルツ帯にある。いま、図のように、高温超伝導体１の面に沿って互いに直交する３つの軸ａ、ｂ及びｃを定義し、超伝導層４と絶縁体層５とに平行な面をａｂ面（a軸とb軸とによって規定される面）とし、ｃ軸をａｂ面に垂直に取るとする。この場合、高温超伝導体1に外部からエネルギーを与える方法として、ａｂ面に平行に一定の外部磁場３を付加しつつ、ｃ軸の方向に一定の直流電流２を流す方法を用いる。
【００１３】
ａｂ面に平行に一定の外部磁場３を付加すると、外部磁場３は、ボルテクスと呼ばれる量子化された磁束として絶縁体層５に入る。ボルテクス７の磁束の大きさは例えば２.０６７９×１０-15Ｗｂである。ｃ軸方向に直流電流２を流すと、絶縁体層５の電気抵抗とボルテクス７の運動とによる誘導起電力により電圧が発生し、ＡＣジョセフソン効果による交流ジョセフソン電流が発生する。交流ジョセフソン電流は、高温超伝導体1内の電磁波と強く相互作用し、つまり共鳴して電磁波を励起し、交流ジョセフソン電流と高温超伝導体１内の電磁波とが結合したジョセフソンプラズマ６が励起される。
【００１４】
さらに高温超伝導体１に一定の外部直流電流２を流すことにより、高温超伝導体1内に生じる電圧が一定となり、ジョセフソンプラズマの周波数も一定となる。物理系を決めれば、高温超伝導体１の周波数と波長との関係である分散関係が決まるので、この分散関係から、ジョセフソンプラズマの一定周波数に対応した一定波長のジョセフソンプラズマ６が高温超伝導体１に励起されることになる。
【００１５】
（２）コヒーレントで強いジョセフソンプラズマの励起、放射条件及び取り出し方法の発見
上で説明したジョセフソンプラズマ６の生成メカニズムは既に公知である（非特許文献６参照）。しかしながら、コヒーレントで強いジョセフソンプラズマの励起方法と条件、励起したジョセフソンプラズマを高温超伝導体１の外部へ電磁波として放射させる条件、励起したジョセフソンプラズマを高温超伝導体１の外部へ電磁波として取り出す方法は、これまで解明されていなかった。ジョセフソンプラズマ現象を支配する高温超伝導体内の量子力学的物理量であるゲージ不変位相差（これについては非特許文献７参照）を観測することは実験的に極めて困難であるため、コヒーレントで強いジョセフソンプラズマの励起方法と条件、並びにジョセフソンプラズマの放射条件と取り出し方法を実験で知ることは困難であった。加えて、上記非特許文献６に記載されたジョセフソンプラズマ現象の支配方程式に基づいて数値シミュレーション実験を行い、ジョセフソンプラズマの放射メカニズムと取り出し方法を知るためには、膨大な数の微細なタイムステップとメッシュを必要とするため、これまでの計算資源では困難であった。
【非特許文献６】Ｇ．ドイッチャ他１名「高温超伝導体のコヒーレンス（Coherence in High Temperature Superconductor）」、ワールド・サイエンティフィック社、１９９５年５月、ｐ．３７１−３９２
【非特許文献７】御子柴宣夫他１名著「超伝導物理入門」倍風館、ｐ．１５２（１９９５）を参照）。
【００１６】
しかし、近年の計算機の発展により、大規模超並列計算機が利用可能となった。この大規模超並列計算機を用いることにより、本発明の発明者は極めて詳細な数値シミュレーション実験を行って、コヒーレントで強いジョセフソンプラズマの励起方法と条件、並びにジョセフソンプラズマの電磁波としての放射条件と取り出し方法を発見した。以下、これを説明する。
【００１７】
（３）コヒーレントで強いジョセフソンプラズマの励起条件と方法
高温超伝導体１の超伝導層４と電気抵抗を持つ絶縁体層５とを積層する層数、ａｂ面に垂直な磁場の侵入長、ａｂ面に平行な外部磁場３の侵入長、高温超伝導体１内の電荷のc軸方向への結合定数、絶縁体層５の電気抵抗値、外部磁場３の強さ及び外部直流電流２の大きさの組み合わせを変えることにより、０．１Ｔｈｚ〜１０ＴＨｚという広い範囲にわたってコヒーレントな周波数を持ち且つ強いジョセフソンプラズマ６を高温超伝導体中１に励起させることができる。
【００１８】
この場合、外部直流電流２の値以外の値を固定し、外部直流電流２の値を上げていくと、ジョセフソンプラズマ６は、上記層数、ａｂ面に垂直な磁場の侵入長、ａｂ面に平行な外部磁場３の侵入長、高温超伝導体１内の電荷のｃ軸方向への結合定数、絶縁体層５の電気抵抗値及び外部磁場３の強さの組み合わせで決まる外部電流２の下限値と上限値との間で連続的に励起される。この外部直流電流２の範囲において特にコヒーレントで強いジョセフソンプラズマを励起させる。
【００１９】
そこで、外部直流電流２を下限値を超えて上昇させると、ｃ軸方向に節のある縦波成分を含むジョセフソンプラズマが励起される。さらに外部直流電流２の値を上げていくと、高温超伝導体１に印加される電圧も変化し、ｃ軸方向に節のない縦波成分が少ないジョセフソンプラズマ６が励起される。このような縦波発生機構を使って外部電流２と高温超伝導体１に印加される電圧とを調整することにより、ジョセフソンプラズマ６の縦波（電荷の疎密波）成分を調整することができる。
【００２０】
（４）励起したジョセフソンプラズマを高温超伝導体の外部へ電磁波として放射させる条件
ジョセフソンプラズマ６は、以下のようにして高温超伝導体１の外部へ放射を行う。ジョフソンプラズマ６は高温超伝導体１の内部で生成されるため、高温超伝導体１のa軸に垂直な対向する２つの端面８、８´で反射されて、電場の振動である定在波を形成し、エネルギーが定在波中に蓄積されていく。このとき、定在波の振動の腹は高温超伝導体１の２つの対向する表面８、８´に位置するので、高温超伝導体１の対向する端面８、８´で電場の振動が発生することになる。
【００２１】
通常の物質の表面で電荷の振動が発生すれば、その表面より電磁波が放射される。しかし、高温超伝導体１の場合、ジョセフソンプラズマ６がｃ軸方向に縦波（電荷の疎密波）を持つため、高温超伝導体１の端面８、８´の電荷の振動によって電磁波が外部へ放射される条件は限られてくる。高温超伝導体１の外部空間では、縦波成分のない横波の電磁波のみが存在できるので、ｃ軸方向に縦波成分を持たず且つ振動の節がないジョセフソンプラズマ６のみが、高温超伝導体１の外部へ電磁波を放射することができる。
【００２２】
ｃ軸方向に振動の節がないジョセフソンプラズマ６は、高温超伝導体１に印加する電圧及びそこに流れる電流を大きくしていくと、励起されやすくなる。また、高温超伝導体１の層の数が少なく、ａｂ面に垂直な磁場２の侵入長が長いとき、ｃ軸方向に振動の節がないジョセフソンプラズマが励起されやすい。
【００２３】
（５）励起されたジョセフソンプラズマを高温超伝導体の外部へ電磁波として取り出す方法
以下、上記（４）で述べた放射条件に基づいて、励起されたジョセフソンプラズマ６を高温超伝導体１の外部へ取り出す方法を具体的に説明する。
【００２４】
（Ａ）まず、高温超伝導体１の条件を決める。例えば、高温超伝導体１の層数を１０〜５００とし、ａｂ面に垂直な磁場３の侵入長を０．１μm〜２．０μmとし、ａｂ面に平行な磁場３の侵入長λcを２０μm〜４０００μmとし、高温超伝導体１内の電荷のｃ軸方向への結合定数を０．０１〜３０．０とすると、絶縁体層５の電気抵抗のパラメータβ＝４πσcλc／｛（εc）1/2ｃ｝は０．００１〜０．２となる。ここで、σcは電気伝導度、εcは絶縁体層の誘電率、ｃは光速である。このように、これらの条件の組み合わせによって高温超伝導体のa軸方向の端面８、８´から電磁波が放射される条件が決まってくる。
【００２５】
（Ｂ）一定の周波数のジョセフソンプラズマ６を高温超伝導体１の内部に励起するために、ＡＣジョセフソン効果から推定される、高温超伝導体１に印加される電圧を、励起したい周波数から求める。そこで、Ｖを高温超伝導体１の1層当たりに印加される電圧(V)、ｆを励起したい周波数（Hz）、φを磁束量子(２．０６７９×１０-15Ｗｂ)とすると、Ｖ＝ｆ×φが成り立つ。
【００２６】
（Ｃ）次いで、高温超伝導体１に流す外部直流電流２の電流値と高温超伝導体１に印加される電圧とを変化させると、ｃ軸方向に縦波成分が少なく且つ節の無いジョセフソンプラズマ６を励起することができ、これにより高温超伝導体１の端面８、８´より電磁波を放射させることができる。
【００２７】
高温超伝導体１内のジョセフソンプラズマ６は、コヒーレントな周波数を有し、外部電流２により簡単に周波数が変更できる強く励起された波なので、高温超伝導体１の端面８、８´より放射された電磁波は、コヒーレントな周波数特性を有し、外部直流電流値を変化させ電圧を調整するだけで周波数が可変であり、しかも強い放射強度を持つ連続的なテラヘルツ電磁波である。
【００２８】
（６）テラヘルツ電磁波発生装置
図２は、（１）〜（５）で述べたジョセフソンプラズマの励起、放射条件及び放射取り出し方法に基づいて作成した、本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置Ｇの構成を概略的に示している。連続テラヘルツ電磁波発生装置Ｇにおいて、高温超伝導体１はａｂ面に平行に設けられた対向する一対の電極１１、１１´の間に挟まれて保持され、電極１１、１１´に直流電流源１２が給電ワイア１３を介して接続される。電極１１、１１´としては、金や高温超伝導体を用いることができる。これにより直流電流源１２から給電ワイア１３を介して高温超伝導体１のｃ軸方向（図１）に一定の直流電流（図１の外部直流電流２）が流される。また、高温超伝導体１を挟むように、永久磁石や超伝導磁石等の一対の外部磁場付加装置１４、１４´が設けられ、高温超伝導体１のａｂ面に平行に一定の外部磁場（図１の外部磁場３）が付加される。
【００２９】
さらに、高温超伝導体1から外部へ連続的にテラヘルツ電磁波が放射される方向に、誘電体等から作られた導波管やレンズ等により構成されるテラヘルツ波誘導装置１５を設置し、高温超伝導体１から放射されるテラヘルツ電磁波を外部へ誘導する。高温超伝導体1、電極１３、１３´及び外部磁場付加装置１４、１４´は、これらを臨界温度Ｔｃ以下に保持するために、冷却装置１６の内部に配置される。
【００３０】
例えば、図３に示すように、連続テラヘルツ電磁波発生装置Ｇの核となる高温超伝導体1は、超伝導層と絶縁体層とを１００層程度積層したものであり、０．１５μｍの厚さを持つ。また、電極１１、１１´の大きさは５００μｍ×１００μｍ程度であるので、装置全体は微小であり、磁場付加装置１４、１４´及び冷却装置１６を集積することにより装置全体を容易に小型化することができる。
【実施例】
【００３１】
ここで、高温超伝導体１としてＢｉ2Ｓｒ2Ｃａ  Ｃｕ2Ｏ8+δを使った場合の、本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置の実施例を、シミュレーション結果を用いて説明する。
【００３２】
シミュレーションは、非特許文献６に記載された事項に基づき、以下の方法により行った。すなわち、高温超伝導体１内のジョセフソンプラズマ現象を記述する基礎方程式群は、電磁場の基礎方程式であるマックスウエルの方程式、高温超伝導体1の超伝導の状態を記述するゲージ不変位相差の式、ジョセフソン電流、及び、絶縁体を流れる常伝導の電流と変位電流を含む全電流の式である。高温超伝導体１の外の物質及び空間における電磁波現象は、マックスウエル方程式で記述できる。この方程式群に対して差分法を適用し、シミュレーションを行った。以下に、シミュレーションの条件を示す。
【００３３】
シミュレーションに使用した連続テラヘルツ電磁波発生装置Ｇにおける高温超伝導体１の寸法を図３に示す。高温超伝導体１は超伝導層４と絶縁体層５とを１００層積層したもので、０．１５μｍの厚さを有する。高温超伝導体１のａ軸方向の長さは１００μｍ、ｂ軸方向の長さは５００μｍである。なお、図を簡略化するため、図３では外部磁場付加装置１４、１４´は省略されている。ａｂ面に垂直な方向への磁場の侵入長は０．４μm、ａｂ面に平行な方向への磁場の侵入長は２００μmである。臨界電流値Ｊｃを５３８Ａ／ｃｍ2とし、超伝導層の厚さは３Å、絶縁層の厚さは１２Å、電荷のｃ軸方向への結合定数は０．１とした。高温超伝導体１の電気抵抗のパラメータβは０．０２と０．０３のつの場合について考察した。絶縁体層５の誘電率は１０であり、ａｂ面に平行に１テスラの強さの外部磁場３を付加した。直流電流２はｃ軸の負の方向に流され、その電流値を臨界電流値Ｊｃで正規化して得た値である０．０１から１．５の間で変化させた。
【００３４】
こうした条件の下で構成された連続テラヘルツ電磁波発生装置Ｇの高温超伝導体1の一方の端面８に密着するように、テラヘルツ波誘導装置１５として、誘電率が１０の誘電体からなる導波管を設置した。高温超伝導体１の温度は２０Ｋに設定した。
【００３５】
上記の条件の下でシミュレーションを行った結果、ボルテクス７はａ軸方向に動き、電磁波が端面８からテラヘルツ波誘導装置１５に放射された。そこで、高温超伝導体１の端面８からテラヘルツ波誘導装置１５の方へ４μｍ離れた位置で電磁波の放射強度をポインティングベクトル（電場と磁場の積）の値として計算したところ、図４に示す放射強度の計算結果を得ることができた。なお、図４の横軸は直流電流2の電流値を臨界電流値Ｊｃで割って正規化した値であり、縦軸は出力（放射強度）であり、一点鎖線はβが０．０２の場合、実線はβが０．０３の場合を示している。このグラフから、直流電流２の広い範囲にわたってミリワット級の出力が得られることを確認することができた。
【００３６】
図５は、高温超伝導体１の電気抵抗のパラメータβが０．０２である場合に、直流電流２の電流値を正規化された値で０．６から０．９５まで変化させたときに高温超伝導体１の端面８から４μｍ離れた位置での電磁波の周波数特性を示している。図５において、横軸は高温超伝導体１から放射される電磁波の周波数であり、縦軸は周波数強度の相対値である。図５に示すように、絶縁体層５の電気抵抗と外部直流電流２とを用いて高温超伝導体１に印加される電圧の強さを変化させることにより、高温超伝導体１から、コヒーレントな周波数特性を有する連続的な電磁波を得ることができ、しかも、高温超伝導体１から放射される電磁波の周波数を容易に且つ連続的に変更することができることが判明した。また、図３に示すように、連続テラヘルツ電磁波発生装置Ｇの核となる高温超伝導体1は微小なものであり、磁場付加装置１４、１４´及び冷却装置１６を集積することによって装置を容易に小型化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上述べたところから理解されるように、本発明によれば、コヒーレントな周波数特性を有し且つミリワット級の強い放射強度を持つ連続的なテラヘルツ電磁波を生成することができ、しかも小型である連続テラヘルツ電磁波発生装置提供することができる。加えて、放射される電磁波の周波数は０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚまでの広い範囲にわたって連続的に且つ容易に変更することが可能である。したがって、テラヘルツ電磁波の応用範囲は広く、多数であるため、本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置を、産業・科学・技術の広い分野で利用可能であり、例えば、次世代の大容量通信技術、癌等の医療診断・治療、食品中の残留農薬や病原菌の安全検査、テロ対策のための生物兵器・爆発物等の検出、大気汚染・水質汚染や地球環境のモニタリング等の分野に応用することができ、一層の技術発展に資することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】高温超伝導体の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置の全体の構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置において、高温超伝導体としてＢｉ2Ｓｒ2Ｃａ  Ｃｕ2Ｏ8+δを使った場合の実施例を概略的に示す図である。
【図４】本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置の実施の形態からの放射強度の電流特性を示す図である。
【図５】本発明に係る連続テラヘルツ電磁波発生装置の実施の形態から放射されるテラヘルツ波の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ｇ：連続テラヘルツ電磁波発生装置
１・・高温超伝導体              ２・・外部直流電流
３・・外部磁場                  ４・・超伝導層
５・・絶縁体層                  ６・・ジョセフソンプラズマ
７・・ボルテクス              ８、８´・・端面
１１、１１´・・電極            １２・・直流電源
１３・・給電ワイヤ              １４・・外部磁場付加装置
１５・・テラヘルツ波誘導装置    １６・・冷却装置
【図１】
2005251863.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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