(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体により形成され、交流ジョセフソン効果を利用して前記単結晶体内の複数のジョセフソン接合部が同期して振動することにより発振するテラヘルツ帯域電磁波の基本波の高次調波を利用することを特徴とするテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項２】
前記高次調波は、前記基本波の４次調波であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項３】
前記ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体の幅が、４０〜１００μｍである請求項１に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項４】
前記ＢＳＣＣＯ構造の単結晶は４００ｘ６０ｘ１．０μｍ３のサイズを有し、前記基本波の周波数は０．６４８ＴＨｚであり、前記高次調波は前記基本波の４次調波であり、前記４次調波は２．５８９ＴＨｚである請求項１に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項５】
前記超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体は、外部からの磁界印加が不要な電磁空洞共振により励起されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかの項に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項６】
前記電磁空洞共振は、ファブリ・ペロー空洞共振である請求項５に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項７】
前記ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体における空洞サイズによって発振周波数が可変されることにより変調可能な請求項６に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導体を用いてコヒーレントなテラヘルツ（１０１２Ｈｚ）帯域の電磁波発振器に関し、特に、基本波の高次調波を利用するテラヘルツ帯域電磁波発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ帯電磁波（例えば、０．１乃至数十ＴＨｚ、以下適宜「ＴＨｚ帯」という）は、現在利用されているギガヘルツ帯域の電磁波と比較して極めて高い透過性を有し、物体を精細に見ることができることから、近い将来、物理化学的な分光測定器、種々の分子、高分子、タンパク質などの同定、精緻なイメージング分野、医療及び診断装置、航空宇宙又は防衛分野、高速度通信等に幅広く利用される広範な応用分野を有する有望な周波数帯域である。この広範な応用性は、テラヘルツ帯電磁波の二つの特異的な性質から得られる。すなわち、広く様々な重要な化学的又は生物的物質の振動及び回転モードに対するテラヘルツ帯電磁波のスペクトラム特異性、及び、包装材料、衣類、プラスチック等を通過するテラヘルツ帯電磁波の浸透性である。
【０００３】
このため、従来から、ＴＨｚ帯の電磁波発振器として、半導体に高出力のフェムト秒（１／１０１５）レベルのレーザ光を照射し、その強力な電場によって誘起される電流でパルス的な広帯域のＴＨｚ帯域波を発生させる光スイッチ法や、大電力レーザ光を非線形光学結晶に照射するパラメトリック法の他、自由電子レーザや放射光、フォトミキシングなど種々の方法が知られていた。
【０００４】
また、他のＴＨｚ領域の電磁波発振器の公知技術の例として、ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物：Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）や、ＴＢＣＣＯ（タリウム・バリウム・カルシウム・銅酸化物：ＴＬ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）等の超伝導単結晶からなる超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層された積層ジョセフソン接合を有する超伝導単結晶素子を利用したＴＨｚ帯発振器が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００６−２１０５８５号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの従来のＴＨｚ帯発振器は何れも、発振効率（入力エネルギーに対するＴＨｚ帯電磁波出力の比）が悪い（数％以下）にも拘らず、大掛かりな付帯装置を必要とするものであり、実用的ではなかった。
すなわち、特許文献１又は特許文献２に記載されているように、従来のジョセフソン接合を利用したＴＨｚ帯域の電磁波発振装置提案は何れも、超伝導素子の狭い素子幅に強力な磁界を印加しなければならず、付帯装置として大掛かりな外部の磁場印加装置を設備する必要性があり、携帯不可能で且つ高強度のＴＨｚ帯域の電磁波を発振させ利用することは困難であった。
【０００６】
一方、従来のレーザ混合、パラメトリック共振技術、量子カスケード・レーザ等を利用すれば、単色のＴＨｚ波を生成することは可能である。しかし、これらの従来技術は、特に１乃至５ＴＨｚの周波数範囲においては、効率、装置のコンパクトさ及びコスト・パフォーマンスについては劣っている。特にこの周波数帯の所謂“ＴＨｚギャップ”の問題を克服するためには、新たな物理的かつ技術的原理に基づき十分なパワーを備えた完全に新しいＴＨｚ供給源を開発することが強く望まれているのである。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高温超伝導体である高度に層状化された異方性ＢＳＣＣＯ単結晶を利用した本来的に存在する多重積層された固有ジョセフソン接合を用いて、特に１乃至５ＴＨｚ周波数帯域の単色的でありコヒーレントの強力且つ連続的な電磁波を生成する実用的なＴＨｚ帯電磁波発振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本発明は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体により形成され、交流ジョセフソン効果を利用して前記単結晶体内の複数のジョセフソン接合部が同期して振動することにより発振するテラヘルツ帯域電磁波の基本波の高次調波を利用することを特徴とするテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供するものである。
【０００９】
ここで、前記基本波の周波数は０．６４８ＴＨｚであり、前記高次調波は４次調波であって、２．５８９ＴＨｚである。この場合、前記ＢＳＣＣＯ構造の単結晶は、４００ｘ６０ｘ１．０μｍ３のサイズを有する。
【００１０】
ところで、前記超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体は、外部からの磁界印加が不要な電磁空洞共振により励起されることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記電磁空洞共振は、ファブリ・ペロー空洞共振であり、前記ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体における空洞サイズによって発振周波数が可変されることにより変調可能である。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体により形成され、前記単結晶体から放射される基本波の高次調波を利用するので、所謂“ＴＨｚギャップ”と言われる特に１乃至５ＴＨｚ周波数帯域の単色的でありコヒーレントの強力且つ連続的な電磁波を生成する実用的なＴＨｚ帯電磁波発振装置の提供を可能にしたのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯電磁波発振装置の詳細について説明するが、最初に、電磁空洞共振により励起される超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体について詳しく説明する。
【００１４】
超伝導ジョセフソン接合部は、電圧に比例する周波数を持つ高周波の電磁場を形成するという基本的性質を持つが、この性質は、コヒーレントで、変調可能な高周波発振装置の製造を可能とする。この魅力的な可能性は、過去においても、人工のジョセフソン接合部の大型アレイを製造することによって広範に探索されてきた。
【００１５】
大きな問題は、アレイにおける全ての接合部を同期させ、同相で振動させることであるが、これは、例えば、それらを同じ電子共振回路に結合することによって実現することが可能である。ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物：Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）における固有のジョセフソン効果によって、積層体の形で、すなわち、単結晶として成形した所謂メサの形で、極めて多数の、緊密に詰められた同一接合部から成る一次元アレイを簡単に製造することが可能である。
【００１６】
上記の積層体における全ての接合部が、同じ周波数で、かつ、同相で振動するように強いた場合、合計電力が接合部の数の二乗の大きさで測られる、強力なコヒーレント電磁発射線が得られると考えられる。この同期は、接合部を、外部のマイクロ波空洞、または、メサ自身の共振モードに結びつけることによってさらに促進される。大面積メサ内部の電磁波は、ジョセフソン・プラスマモードとして伝播する。
【００１７】
このモードの面内速度は、面外波ベクトルに大きく依存し、最高速度は、同相モード（全ての接合部が同相で振動する）に一致し、最低速度は、隣接接合部が異相で振動する逆相モードに一致する。さらに全ての上記モードにおいて、メサの側面における多数の反射によって定在波パターン、及び、フィスケモードとして知られるファブリ・ペロー型空洞共振がもたらされる。
【００１８】
同相モードを除く全てにおいて、同じ表面では、平均電場は互いに打ち消し合うので、同相モードのみが検知可能な外部電磁波発生を生む。フィスケ共振を励起するために、ジョセフソン渦の移動格子がしばしば用いられる。しかしながら、渦同士の誘導相互作用にとっては三角形の渦格子構造が好都合であるが、この構造では、非電磁波発生性の逆相モードがもっぱら励起される。十分に狭いメサにおける側面作用、すなわち、高度駆動における動的作用によれば、同相モードを励起することが可能な方形対称を持つ渦格子の安定化が可能であろうという提案が為されたが、この提案の証明はまだ報告されていない。
【００１９】
本発明においては、ジョセフソン接合部に局在する交番電磁場を、コヒーレントな、偏向性高周波電磁波に効率的に変換することを可能とする手段を開示する。我々の対処法は、ファブリ・ペロー空洞モードに対する接合部における波の結合に基づく。これは、二つの作用を持つ。すなわち、
（ａ）多数のジョセフソン接合部が同期して同相モードで動作するようになり、これは、非相関性接合部に観察されるような一次的ではなく、接合部の数と共に二次的に増加する、利用可能な電磁波エネルギーをもたらす。
（ｂ）共振時、エネルギーは、同期モードに効率的に吸収され、空洞の品質係数に等しい係数だけ、その強度を強化する。この空洞の品質係数は、大きくすることが可能であり、かつ、最終的に、空洞における損失によってのみ制限されるだけである。
【００２０】
上記のような接合部を有するデバイスの基本的対称性の分析から、接合部に対して垂直に流れる均一な電流は、共振空洞モードを励起することができないことが示されている。従って、電磁波発生源としてジョセフソン接合部を使用することに関連する従来技術は、接合部に対して平行に印加される磁場における動作をもっぱら検討している。次に、所謂ジョセフソン渦が、超伝導層の間に進入して対称性を破壊し、フィスケ共振として知られる共振が励起される。
【００２１】
本発明においては、電流と電磁波モードの間に非均一的結合を形成することによって、対性を破り、ゼロ印加磁場における共振空洞モードの励起を可能とする。これは、例えば下記の方法によって実現が可能であるが、これに限定されない。
（ａ）ＢＳＣＣＯの組成の勾配は、メサの幅全体に渡って非均一臨界電流密度を誘発する。ＢＳＣＣＯの超伝導性（ＴＣ、ＪＣ、）は、その酸素含量に大きく依存する。従って、酸素雰囲気における調節的焼入れを用いることによって、一方の側面近傍では、反対の側面近傍よりも高くなる臨界電流密度を確立する。
（ｂ）例えば、矩形ではなく台形を持つ、メサの非対称断面は、複数の側面において、非対称電流及び非対称反射係数を誘発する。
（ｃ）非対称臨界電流分布はまた、メサの一側に対し、電子またはプロトンビームを照射することによって、または、イオンを注入することによって意図的に超伝導性を抑圧して確立することも可能である。
【００２２】
正確に同じ臨界電流変調を持つ同一層から構成される理想的メサの電磁波発生及び転送性質については、様々な変調プロフィールに関して評価することが可能である。
【００２３】
このような臨界電流変調は、均一振動を、メサ内部の基本モードと結合し、その結合強度は、積ｒＤに比例する。メサの長さＬは、発射される電磁波の波長よりも大きいか、少なくともほぼ等しくなければならない。メサ幅Ｗ及び準粒子導電性に依存する、高さＨが、１乃至１．５μｍよりも高いメサでは、電磁波発生損失はオーム損失を超える。この典型的高さよりも低いメサでは、共振における電磁波発生電力はＨ２に比例して増加する。背の高いメサでは、最大合計電磁波発生電力は、高さに依存せず、Ｐｍａｘ≒πＪＪ２（ｒＤ）２Ｌ／ω［ＣＧＳ単位］として推定することが可能である。
【００２４】
現在、上記したような多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体ＢＳＣＣＯ構造におけるメサ型の固有ジョセフソン接合からは、高強度の０．８５ＴＨｚまでの連続的で単色的なＴＨｚ放射線が抽出され得ることが判明している。
【００２５】
ここで、本願の発明者は、固有ジョセフソン接合ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ）を用い、従来との比較においてパワーの大きさを一桁増大させたＴＨｚ帯電磁波発振装置を開発したのである。開発サンプルから放出された推定の合計パワーは０．６４８ＴＨｚにて５μＷであるが、これに加え第４次までの調波の電磁波発振（以下、適宜「発光」という）が２．５８９ＴＨｚの最大周波数が観察された。発光パワーの特異な温度依存性は２０乃至４０Ｋの間で最大となることが見出されたことから、加熱による非平衡作用は、この系においてＴＨｚ放射線の原因となるコヒーレント状態の形成に対して重要な役割を果たし得ることが示されたのである。
【００２６】
高温の超伝導体において、特に高度に層状化された異方性Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ単結晶において本来的に存在する多重積層された固有ジョセフソン接合を用いてＴＨｚ周波数領域において、強力かつ単色的で連続的なＥＭ波を生成する有望な方法を示す。そして、本願発明者による試作サンプルは、合計パワーで５μＷもの高パワーの発光を得たのである。これは従来知られていた値よりも格段に高く且つ幾つかの商業的用途の要件を満足させる値である。線幅は非常に鋭く、且つ、それは、０．２５ｃｍ−１＝７．５ＧＨｚであるＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外）の分解能により制限される。
【００２７】
本願発明者による実験結果により、周波数νを有する斯かる単色放射線は以下の単純な関係に従うことが明らかにされた。
【００２８】
ν＝ｃ／ｎλ＝ｃ／２ｎｗ＝２ｅＶ／ｈＮ      （１）
【００２９】
上記式（１）中、ｃは真空中における光の速度、ｎは超伝導体の屈折率、λはメサにおいて生成されたＥＭ波の波長、ｗはサンプルの幅、Ｖは固有ジョセフソン接合において現れる電圧、Ｎは固有ジョセフソン接合の個数、ｅおよびｈは夫々電荷およびプランク定数を示す。
【００３０】
ところで、高次の調波に対して周波数はνｍ＝ｍνにより与えられ、（１）式中、ｍは整数であり且つ調波のインデックスである。これらの単純な関係は、第１には、一定の共振モードを備えた共振キャビティのように超伝導体自体が作用し得ること、そして、第２には、放射線はａｃ−ジョセフソン効果により生成されることが示されたのである。これらの高次の調波の強度は、インデックスｍが増大するにつれて急速に低下するが、第４次調波においてさえも依然としてそれらは基本線と同じほど鋭い。第４次調波において観察された周波数は２．５ＴＨｚを超える。
【００３１】
図１は、本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置の例を示すものである。そして、図１（ａ）は、「Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ」の劈開面上に作成されたメサ構造の概略図を示す。図１（ａ）において、幅ｗは、１００、８０、６０および４０μｍで変化する一方、長さは３００μｍにて一定である（Ａ型）が、１個の試作サンプルは、ｗ＝６０μｍで長さが４００μｍである（Ｔ型）。そして、メサ高さは、１μｍである。基礎となるＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ結晶の寸法は１乃至２ｍｍ×１ｍｍであり、厚みは１０μｍである。そして、メサの頂部層は、電極として約１００ｎｍ厚みで蒸着された金により覆われる一方、他の２個の電極はメサの底部から取り出された。
【００３２】
図１（ｂ）は、メサの３次元微分トポグラフＡＦＭ写真を示す。図１（ｂ）において、台形状を形成するメサの基部における尾部構造が明確に見える。
【００３３】
図２は、６０μｍ幅のメサ（Ｔ型）から得られたＩ−Ｖ曲線の例を示す。ここで、図２（Ａ）は、矢印方向へと０．１ｍＨｚによりＩをスキャンすることで獲得された全体的Ｉ−Ｖ曲線を示す。戻り分岐部においては、約０．９Ｖの電圧および約２０ｍＡの電流において凹みが明確に見られる(丸で囲まれている)。
【００３４】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示された凹みの回りにおける拡大図であり、其処では強力な発光が観察される。Ｖ＝０．８８５０ＶおよびＩ＝１９．８３ｍＡにて５μＷの最高パワーが得られたのである。
【００３５】
本願発明者は、固有ジョセフソン接合系Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δにおいて生ずる上記した顕著な実験成果を呈示すると共に、高次の調波のスペクトルを分析することにより、上記現象の一定の知見、特に、ＴＨｚ周波数における斯かる強力かつ連続的で単色的な電磁波の放出のメカニズムに関する知見を説明する。
【００３６】
従来から、固有ジョセフソン接合を用いたＴＨｚ周波数におけるＥＭ波生成に対する探求が多くの研究者により行われてきたが、それらの内、理論的かつ実験的な研究の殆どは磁界中で行われてきた。その一つの研究結果として、サンプル内における定常ＥＭ波の励起に対応するフィスケ・ステップの観察が報告されている。さらに、最近では、別体的な検出器を用いた発光の更に直接的な測定が報告されており、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ単結晶自体において生ずる共振シャピロステップを用いて固有ジョセフソン接合の積層物を検出器として使用した例が知られている。
【００３７】
しかし、ゼロ磁界においては、幾つかの報告のみがなされており、その一つとして、約０．５ＴＨｚにおける放射線の直接的観察例が知られている。この場合の推定パワーは、本願発明において得られた大きさよりも数桁小さい。概略的に、従前の測定の全てにおいて観察されたパワーは、検出のためにはスーパーヘテロダイン方法の如き特殊で洗練された技術が必要とされるほどに小さいことから、応用の発展が著しく阻害されていたのである。
【００３８】
本願発明の実験において使用されたサンプルは、移動フロート領域法により成長された劈開単結晶Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δの断片からアルゴンイオン食刻およびフォトリソグラフ技術により作製されたメサである。
【００３９】
ここでは、超伝導遷移温度は７５〜８５Ｋ間に在ることから、試作サンプルはおそらくは高真空下の作製プロセスの故に僅かにドープ不足状態であることが示されたものの、それらはメサ作製の前は初期Ｔｃが９０Ｋを有していたからである。それ故に、臨界ジョセフソン電流は低く、１００Ａ／ｃｍ２以下である。
【００４０】
このことは、ジョセフソン・プラズマ周波数ωｐもまた低く、νｐ＝ωｐ／２π≦７０ＧＨｚと推定され得ることを意味する。その理由は、ωp＝c／√ελcだからであり、式中、ｃ＝２．９９７９×１０１０ｃｍ／秒、εが１７．５４、λｃ≒１７０μｍである。このジョセフソン・プラズマ周波数は、現在において観察されている発光の周波数よりも相当に低いことを銘記されたい。
【００４１】
これまでに調製かつ研究されたメサの横方向寸法は、矩形の形状により長さが３００μｍで幅がｗ＝１００、８０、６０および４０μｍであり（Ａ型）且つ長さが４００μｍで幅がｗ＝６０μｍ（Ｔ型）であり、全てのメサにおいて高さは〜１．０μｍである。
【００４２】
図１（ａ）には、上記メサの概略図が示される。高さの精度はアルゴンイオン食刻プロセスの間における食刻速度の較正に依存すると共に、３％以内である。
我々のメサにおいては、図１（ｂ）に示された如くＡＦＭ（原子間力顕微鏡、ＫＥＹＥＮＣＥ、日本）によるトポグラフ的考察により基部において相当の末尾効果が見出された。上記メサの断面のこの台形状は、アルゴンイオン食刻プロセスに依るものである。
【００４３】
図２（Ａ）において、本願発明に係る６０μｍサイズのメサ（Ｔ型）の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線の典型例を示す。上記曲線は、大きなヒステリシスを示すと共に、丸により示された如く戻り分岐部上で電圧において強い凹み状の異形を有する。この領域は、図２（Ｂ）において拡大尺度で示され、其処で我々は、以下において詳細に論じられる公知の大きさよりも約１桁だけ強い大きさを備えた強烈な放射線を観察したのである。
【００４４】
図２（Ｂ）においては、検出された放射線パワーも任意尺度により表示されている。上記Ｉ−Ｖ曲線を接近して見ると、電流および電圧の状態が発光点の近傍であるときに電流ならびに電圧が変動していることは明らかである。但し、それが発光を一旦開始したなら、電流および電圧は一定かつ時的に安定となる。
【００４５】
上記メサのＩｃより高い電流および電圧の領域にて、Ｉ−Ｖ曲線は強い負の微分抵抗を示している。上記メサの推定温度はＴｃさえも超過する。これは、直流電流による加熱効果が過酷であり且つ上記メサの底部における超伝導サンプルの熱伝導率が不十分だからと考察される。
【００４６】
図３は、本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置の４０Ｋにおける６０μｍのメサ（Ｔ型）からの発光のパワー・スペクトルを示す。図３に示すように、第４次までの調波が観察される。図３において、縦座標は、対数尺度でプロットされていることを銘記されたい。差込み図は、に対して使用されたｗ＝６０μｍを有する１個のサンプル（◆で記入）およびｗ＝１００μｍ（●）および６０μｍ（▼）を有する２個のサンプルという３個の異なるサンプルに対して観察された発光パワーの温度依存性を示している。強度は最大値にて正規化されている。
【００４７】
放射線は、図２（Ｂ）に示された如く一定の電圧にて式（１）の発光条件が満足されたとき、戻り分岐部においてのみ生ずる。分光器の１８０°逆側に配置された別の検出器により合理的なパワーをもって放射線が検出されたとき、ＦＴ−ＩＲ分光器が動作されてスペクトルが獲得された。ここで、ＦＴ−ＩＲ分光器（ＪＡＳＣＯ  ＦＡＲＩＳ−Ｉ）は、ＴＨｚ周波数領域に対してのみ設計され、０．２５ｃｍ−１の分解能により２〜６５０ｃｍ−１の測定が可能とされる。
【００４８】
図３には、高次の調波を含むデータの典型例が示され、その場合に放射線は１０乃至２０分間のＦＴ−ＩＲ測定の間において連続的に受信される。ここでは、発振の安定性を試験するために２時間以上に亙り連続的に測定を行った。しかし、この動作試験中においてパワー及び周波数の顕著な変化は一切見られなかった。
【００４９】
図３に提供された６０μｍのメサの放射線パワー・スペクトルにおいては、第４次までの高次の調波が明確に示される。０．６４８２ＧＨｚの周波数を有する強烈な基本発光ラインの一方、観察された最大周波数は第４次調波の２．５８９ＴＨｚに到達する。これらの調波に加え、ｍ＝１５までの更なる高次の調波の存在の弱い異形暗示が視認され得る。上記周波数の精度は０．０１ｃｍ−１より良好であり、且つ、線幅は我々のＦＴ−ＩＲ機器の実験分解能限界（≦０．２５ｃｍ−１＝７．５０ＧＨｚ）により制限される。観察された周波数および強度は表１に要約される。
【００５０】
【表１】
0005229876.tif 000002
【００５１】
表１は、６０μｍのメサから得られた基本発光線および高次の調波の特性を示すものであり、ｋは発光の波数、νは対応周波数、Δνは対応線幅を表し、Ｉｍ／Ｉ１は基本線により正規化された線強度である。
【００５２】
図３の差込み図においては、３個のサンプル（２個はＡ型から、１個はＴ型から）に対する発光強度の温度依存性が比較されている。これまでに測定されたサンプルの全ては、２０乃至４５Ｋの間に最大発光を有するという類似の傾向を有している。最大発光の温度はサンプルに依存すると共に、冷却条件などの実験条件に感応することを銘記する必要がある。このことは、この放射現象のメカニズムに関与する非平衡効果の重要な役割を強く表している。
【００５３】
図２に示されたＩ−Ｖ曲線に見られるように、放射線は、Ｖの１０％より広いこともある一定範囲内の電圧で連続的に生ずる。この電圧範囲内において、放射線周波数が測定され且つスペクトルが分析された。それは電圧Ｖと共に線形に変化するが、Ｖに依存して強度は相当に変化することを見出した。更に、周波数は電圧Ｖに比例し、図４に示された如く２ｅ／ｈ＝４８３．５９４ＧＨｚ／ｍＶの係数によりａｃジョセフソン関係に従うのである。この観察により、交流ジョセフソン効果はＴＨｚのＥＭ波の放出の駆動メカニズムとして作用することが確実とされる。
【００５４】
ジョセフソン電流の非線形性の故に、図３および表１に示された高次の調波が出現することが期待されると共に、実験結果は以下の如く説明され得る。ａｃジョセフソン電流は超伝導ＣｕＯ２層間にてジョセフソン周波数ωＪをもって発振電圧を誘起する。各層の位相差はθ（ｔ）＝ωＪｔ＋υｓｉｎωＪｔにより与えられ、式中、υは静的電圧Ｖに対するａｃジョセフソン電圧の比率である。故に、ジョセフソン電流Ｊは以下の如く表現される。
【００５５】
Ｊ＝Ｊｃｓｉｎ（ωＪｔ＋υｓｉｎωＪｔ）
＝Ｊｃ［｛Ｊ０（υ）−Ｊ２（υ）｝ｓｉｎωＪｔ＋｛Ｊ１（υ）＋Ｊ３（υ）｝×
ｓｉｎ２ωＪｔ＋｛Ｊ２（υ）−Ｊ４（υ）｝ｓｉｎ３ωＪｔ＋｛Ｊ３（υ）＋Ｊ５（υ）｝ｓｉｎ４ωＪｔ］＋・・・，                （２）
【００５６】
式（２）中、Ｊｎ（υ）は第ｎ次のベッセル関数である。合計発光パワーは、Ｊの空間的平均に比例することから、高次の調波の強度はυの空間的変動に強く依存する。それ故、高次の調波を詳細に分析すれば、この系におけるＴＨｚ発光のメカニズムを理解するための決定的情報が提供されこととなる。
【００５７】
次に、サンプルメサから放出される合計パワーＰを推定した。ＥＭ波は、ボロメータの窓部が１．２７ｃｍの直径を有するチョッパを５０％の効率で伝搬し、且つ、Ｓｉ検出器に到達する。故に、上記検出器にて受信されたパワーＰｏｂｓは効率定数ｅｅｆｆによりＰ＝ｅｅｆｆＰｏｂｓとして表現され得る。
【００５８】
この値は、機器の幾何学的構成からｅｅｆｆ＝５．７×１０３と推定され得る。観察されたパワーは、Ｖｏｕｔは検出器からの出力電圧であり且つＳ＝２．１９×１０５Ｖ／ＷとしてＰｏｂｓ＝Ｖｏｕｔ／Ｓとして表現され得ることから、Ｓｉボロメータの較正定数は約０．２ｍＶであり、これはＰ≒５μＷの値に繋がる。
【００５９】
上記メサに対して供給された合計パワーは略々１５ｍＷであることから、これは、〜３×１０−４の効率に帰着する。但し、更に厳密とするためには、発光パワーの角分布が考慮されねばならない。
【００６０】
結論として、本願発明において、単結晶質Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δの固有ジョセフソン接合メサによりＴＨｚ周波数にて強烈かつ連続的で単色的な電磁波を生成するという新規な手法を示すことができた。ここで、従来技術と比較して概ね１桁大きい５μＷまで発光の合計パワーを相当に増大することに成功したのである。そして、０．６４８２ＴＨｚの基本周波数の高次の調波は、２．５ＴＨｚを超える第４次まで観察された。
【００６１】
発光周波数は、式（１）により記述される単純な関係により決定されると共に、観察される高次の調波は、υが偶関数として式（２）により説明され得る。ここで、加熱効果は決定的であり上記生成メカニズムに対して重要な役割を果たし得ることを指摘する。この問題は、最終的に所謂１乃至５ＴＨｚ帯域の“ＴＨｚ技術ギャップ”を克服する最適条件を見出すことにより解決され得るのである。
【００６２】
図４は、メサに対して印加された電圧の関数としての周波数を示す。ラインは２つの異なる温度におけるａｃジョセフソン関係を示している。
【００６３】
以上詳しく説明したように、本発明に係るテラヘルツ帯域の電磁波発振装置は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体により形成され、前記単結晶体が発振するテラヘルツ帯域電磁波の基本波の高次調波を利用することを特徴とする。これにより、所謂“ＴＨｚギャップ”と言われる特に１乃至５ＴＨｚ周波数帯域の単色的でありコヒーレントの強力且つ連続的な電磁波を生成する実用的なＴＨｚ帯電磁波発振装置の提供を可能にしたのである。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、テラヘルツ帯電磁波、特に１乃至５ＴＨｚ帯域の電磁波発振装置に関するものであり、物理化学的な分光測定器、種々の分子、高分子、タンパク質などの同定、精緻なイメージング分野、医療及び診断装置、航空宇宙又は防衛分野、高速度通信等に幅広く利用される広範な応用分野において産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置の例を示すものである。ここで、（ａ）は、「Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ」の劈開面上に作成されたメサ構造の概略図を示し、（ｂ）は、メサの３次元微分トポグラフＡＦＭ写真を示す。
【図２】本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置における６０μｍ幅のメサ（Ｔ型）から得られたＩ−Ｖ曲線の例を示す。
【図３】本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置の４０Ｋにおける６０μｍのメサ（Ｔ型）からの発光のパワー・スペクトルを示す。
【図４】本発明に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置におけるメサに対して印加された電圧の関数としての周波数を示す。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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