(57)【要約】【課題】極めて簡単で１μｍ以下の小型サイズの構成により、局所的で連続的なテラヘルツ帯電磁波の発振を可能とする。【解決手段】電磁波発振器１０は、穴１２が穿設された直方体形状の超伝導ストリップ１１と、直流電流源１３とから構成されている。超伝導ストリップ１１は長手方向と直交する方向の幅が１μｍ以下の例えば数百ｎｍ程度が望ましい。超伝導ストリップ１１の厚さは幅より十分薄く、長さは幅の数倍以しである。また、穴１２は、直径が超伝導ストリップ１１の幅の数分の一程度が望ましく、幅方向の非対称位置あるいは対称位置に穿設されている。直流電流源１３は超伝導ストリップ１１の一端から超伝導ストリップ１１の長手方向に沿って直流バイアス電流を流す。【選択図】図１
2016127211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギャップ周波数がテラヘルツ帯より高い材質の超伝導体で構成され、かつ、少なくとも一の任意形状の穴が穿設された超伝導ストリップと、
前記超伝導ストリップの一端から前記超伝導ストリップの長手方向に沿って、前記超伝導体の臨界電流より大なる直流バイアス電流を流す直流電流源と
を備え、
前記直流バイアス電流が分流されて前記超伝導ストリップの長手方向の第１の側縁部と前記穴との間の第１の線路領域に流れる第１の直流電流と、前記超伝導ストリップの長手方向の第２の側縁部と前記穴との間の第２の線路領域に流れる第２の直流電流とのうち、超伝導体の臨界電流よりも大なる直流電流が流れる一方の線路領域に第１の量子化磁束を発生させて前記穴にその量子化磁束をトラップさせると共に、前記穴の周囲に環状電流を発生させ、前記環状電流により前記第１及び第２の線路領域のうち前記一方の線路領域とは異なる他方の線路領域に流れる直流電流が前記臨界電流よりも高くなることで前記他方の線路領域に前記第１の量子化磁束と反対方向の第２の量子化磁束を発生させて前記穴にトラップさせた前記量子化磁束を前記穴から消失させて元に戻すことを繰り返し、前記穴の周囲の環状電流による磁気モーメントを時間的に振動させて前記穴の周囲にテラヘルツ帯の電磁波を放射することを特徴とする電磁波発振器。
【請求項２】
前記超伝導ストリップは、長手方向と直交する方向の幅が１μｍ以下で、前記長手方向の長さが前記幅の数倍以上で、厚さが前記幅より薄い構成であることを特徴とする請求項１記載の電磁波発振器。
【請求項３】
前記超伝導ストリップは、ＭｇＢ2、金属系超伝導体、鉄系超伝導体、あるいは銅酸化物高温超伝導体であることを特徴とする請求項１又は２記載の電磁波発振器。
【請求項４】
前記穴は、直径が前記超伝導ストリップの幅の数分の一程度で、中心が前記超伝導ストリップの幅方向の中心位置よりずれた位置に穿設された、任意形状の単一の穴であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の電磁波発振器。
【請求項５】
前記穴は、大きさが前記超伝導ストリップの幅の数分の一程度で、中心が前記超伝導ストリップの幅方向の中心位置に一致した位置に穿設された任意形状の単一の穴であり、かつ、前記超伝導ストリップはその長手方向の第１の側縁部の前記穴に対向する位置に第１の切り込み部が形成され、長手方向の第２の側縁部の前記穴に対向する位置に前記第１の切り込み部とは前記穴との間の距離が異なる第２の切り込み部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の電磁波発振器。
【請求項６】
前記穴は、大きさが前記超伝導ストリップの幅の数分の一程度で、中心が前記超伝導ストリップの幅方向の中心位置に一致し、かつ、対向する２辺が前記超伝導ストリップの長手方向に平行に穿設された矩形形状の単一の穴であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の電磁波発振器。
【請求項７】
前記穴が穿設された前記超伝導ストリップが、複数積層されてなることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の電磁波発振器。
【請求項８】
前記直流電流源は、前記直流バイアス電流を可変可能として前記電磁波の周波数を所望の値に変化させる可変電流源であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の電磁波発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁波発振器に係り、特に超伝導ストリップを用いた構成によりミリ波からサブミリ波までのテラヘルツ(ＴＨｚ)帯電磁波を発振する電磁波発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ(ＴＨｚ)帯電磁波は、例えば０.１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ程度の周波数領域(ミリ波からサブミリ波までの波長領域)の電磁波であり、現在広く利用されているギガヘルツ(ＧＨｚ)帯電磁波に比べて高い透過性を有し、分光・分析機器、危険物や薬物検知等のセキュリティ分野、食品・農作物等の検査、医薬品検査、臨床診断、半導体・ＬＳＩ評価、及び大気環境監視など、様々な分野における応用が期待される電磁波である。
【０００３】
かかるテラヘルツ帯電磁波を発生する従来のテラヘルツ帯電磁波発振方法としては、例えば、フェムト秒光パルスを半導体に照射する方法、光強度の強いパルス励起光を非線形光学結晶に照射する方法、量子カスケードレーザを用いる方法、フォトミキシング技術を用いる方法、及び自由電子レーザを用いる方法などが知られている。
【０００４】
また、従来の電磁波発振器として、超伝導体結晶を用いる発振器も知られている(例えば、特許文献１−５参照)。特許文献１記載の電磁波発振器は、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であり、その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、高温超伝導体に第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と、高温超伝導体に第１の方向に直流電流を流す直流電源とを具備する構成である。この特許文献１記載の電磁波発振器では、高温超伝導体内に発生させた、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の端面からテラヘルツ帯の連続電磁波として発振出力させる。
【０００５】
また、特許文献２記載の電磁波発振器は、超伝導体と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層されている積層ジョセフソン接合を有し、高い磁界により固有ジョセフソン接合素子内部に、磁束格子を形成する構成である。また、特許文献３記載の電磁波発振器は、多重積層型ジョセフソン接合を有する層状超伝導体ＢＳＣＣＯ(ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物)の単結晶により形成され、電磁空洞共振を励起する構造である。また、特許文献４記載の電磁波発振器は、多重積層型ジョセフソン接合を有する層状超伝導体ＢＳＣＣＯ(ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物)の単結晶体により形成され、単結晶体が発振するテラヘルツ帯電磁波の基本波の高次高調波を利用する構成である。更に、特許文献５記載の電磁波発振器は、固有ジョセフソン接合を有する高温超伝導体ＢＳＣＣＯ(ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物)の上に、ファブリペロー共振が励起される矩形メサ構造部と、矩形メサ構造部に電力を供給してメサ構造物から外部への熱拡散量を制御する金属電極とを積層した構造である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２５１８６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０５８５号公報
【特許文献３】特開２００９−０４３７８７号公報
【特許文献４】特開２００９−２２４４８２号公報
【特許文献５】特開２０１３−２４７４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の電磁波発振方法及び電磁波発振器は、いずれも大掛かりな付帯装置(外部の磁場印加装置等)を必要とし、携帯不可能で実用的でない。また、発振器素子のサイズは最小でも１００μｍ程度必要であり、１μｍ以下のナノスケールでの小型サイズで局所的な電磁波の発振ができない。
【０００８】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、極めて簡単で１μｍ以下の小型サイズの構成により、局所的で連続的なサブテラヘルツ(ミリ波)からテラヘルツ(サブミリ波)までの周波数領域の電磁波の発振が可能な電磁波発振器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】
【０００９】
本発明は上記の目的を達成するため、ギャップ周波数がテラヘルツ帯より高い材質の超伝導体で構成され、かつ、少なくとも一の任意形状の穴が穿設された超伝導ストリップと、前記超伝導ストリップの一端から前記超伝導ストリップの長手方向に沿って前記超伝導体の臨界電流より大なる直流バイアス電流を流す直流電流源とを備え、
前記直流バイアス電流が分流されて前記超伝導ストリップの長手方向の第１の側縁部と前記穴との間の第１の線路領域に流れる第１の直流電流と、前記超伝導ストリップの長手方向の第２の側縁部と前記穴との間の第２の線路領域に流れる第２の直流電流とのうち、超伝導体の臨界電流よりも大なる直流電流が流れる一方の線路領域に第１の量子化磁束を発生させて前記穴にその量子化磁束をトラップさせると共に、前記穴の周囲に環状電流を発生させ、前記環状電流により前記第１及び第２の線路領域のうち前記一方の線路領域とは異なる他方の線路領域に流れる直流電流が前記臨界電流よりも高くなることで前記他方の線路領域に前記第１の量子化磁束と反対方向の第２の量子化磁束を発生させて前記穴にトラップさせた前記量子化磁束を前記穴から消失させて元に戻すことを繰り返し、前記穴の周囲の環状電流による磁気モーメントを時間的に振動させて前記穴の周囲にテラヘルツ帯の電磁波を放射することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記超伝導ストリップは、長手方向と直交する方向の幅が１μｍ以下で、前記長手方向の長さが前記幅の数倍以上で、厚さが前記幅より薄い構成であることを特徴とする。また、前記穴は、直径が前記超伝導ストリップの幅の数分の一程度で、中心が前記超伝導ストリップの幅方向の中心位置よりずれた位置に穿設された、任意形状の単一の穴であってよい。また、前記穴は、大きさが前記超伝導ストリップの幅の数分の一程度で、中心が前記超伝導ストリップの幅方向の中心位置に一致した位置に穿設された任意形状の単一の穴であり、かつ、前記超伝導ストリップはその長手方向の第１の側縁部の前記穴に対向する位置に第１の切り込み部が形成され、長手方向の第２の側縁部の前記穴に対向する位置に前記第１の切り込み部とは前記穴との間の距離が異なる第２の切り込み部が形成されている構成であってよい。あるいは、前記穴は、大きさが前記超伝導ストリップの幅の数分の一程度で、中心が前記超伝導ストリップの幅方向の中心位置に一致し、かつ、対向する２辺が前記超伝導ストリップの長手方向に平行に穿設された矩形形状の単一の穴であってよい。更に、前記穴が穿設された前記超伝導ストリップが、複数積層されてなる構成であってよい。また更に、前記電流源は、前記直流バイアス電流を可変可能として前記電磁波の周波数を所望の値に変化させる可変電流源であってよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超伝導ストリップを用いた、小型な、かつ、極めて単純な構成により、局所的なサブテラヘルツ(ミリ波)からテラヘルツ(サブミリ波)までの周波数領域の電磁波の発振ができる。また、本発明によれば、発振周波数の掃引も容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の概略構成図である。
【図２】長手方向の縁部に切り込みのある超伝導ストリップにおける臨界電流と量子化磁束の運動を示す図である。
【図３】幅方向中心位置に穴のある超伝導ストリップにおける量子化磁束の運動を示す図である。
【図４】本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の動作原理の説明図(その１)である。
【図５】本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の動作原理の説明図(その２)である。
【図６】本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の動作原理の説明図(その３)である。
【図７】本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の動作原理の説明図(その４)である。
【図８】本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の要部の平面図である。
【図９】本発明に係る電磁波発振器の一実施例の基本構成の平面図である。
【図１０】超伝導体ストリップとしてＭｇＢ2を想定したときの時間依存Ginzburg-Landau方程式を基にした本発明の一実施例のシミュレーション結果による時間対磁気モーメント特性図である。
【図１１】超伝導体ストリップとしてＭｇＢ2を想定したときの本発明の他の実施例シミュレーション結果による時間対磁気モーメント特性図である。
【図１２】本発明に係る電磁波発振器の要部の超伝導ストリップの形状の他の各例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の概略構成図を示す。同図において、本実施形態の電磁波発振器１０は、穴１２が穿設された直方体形状の超伝導ストリップ１１と、直流電流源１３とから構成されている。超伝導ストリップ１１は長手方向と直交する方向の幅は、１μｍ以下の例えば数百ｎｍ程度である。幅が数百ｎｍ程度より広いと規則的な振動の発生が困難で、これより狭いと磁気モーメント、すなわち、電磁波パワーが小さい。超伝導ストリップ１１の厚さは幅より十分薄く、また、超伝導ストリップ１１の長さは幅の数倍以上である。また、穴１２は、直径が超伝導ストリップ１１の幅の数分の一程度が望ましく、また後述するように通常は幅方向の非対称位置に穿設されている。ただし、所定の場合は後述するように軸方向の対称位置に穿設されていてもよい。
【００１４】
超伝導ストリップ１１の材質は、一般に超伝導体のギャップ周波数ｆg以上の電磁波のもとでは超伝導状態が破壊されてしまうので、サブミリ波の電磁波を発振するためにはギャップ周波数ｆgがサブミリ波より高い必要がある。例えば、ニオブ(Ｎｂ)を用いた場合は、ギャップ周波数ｆgが０.７ＴＨｚであり、サブミリ波ではＮｂの超伝導状態は壊れてしまうので、サブミリ波の電磁波を発振するための超伝導ストリップに用いるのは困難であるが、ミリ波の電磁波を発振するための超伝導ストリップとして使用することは可能である。一方、例えば、二ホウ化マグネシウム(ＭｇＢ2)のギャップ周波数ｆgは数ＴＨｚなので、超伝導ストリップ１１としてＭｇＢ2を使用した場合は、Ｎｂを使用した場合よりも高い周波数(短い波長)のサブミリ波の電磁波発振器を構成することができる。なお、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7などの銅酸化物高温超伝導体はＭｇＢ2よりもギャップ周波数ｆgが高く、さらに高い電磁波周波数の電磁波発振器を構成することができる可能性がある。
【００１５】
超伝導ストリップ１１の長手方向の２つの端部には電流端子１４ａ、１４ｂが設けられており、ワイヤ１５ａ、１５ｂを介して直流電流源１３の正側端子、負側端子に接続されている。電磁波発振器１０は、直流電流源１３から直流バイアス電流が超伝導ストリップ１１の電流端子１４ａから電流端子１４ｂ方向へ長手方向に沿って流される。
【００１６】
ここで、超伝導体に穴が開いていると、その中に捕捉された磁束は量子化され、「量子化磁束」として存在することが知られている。量子化磁束は、基本的な物理定数の一つである磁束量子φ0(＝２.０７×１０-15Ｗｂ)の整数倍に量子化された磁束である。また、電流を超伝導体に流すと、量子化磁束には電流及び磁束の方向と直交する方向に駆動力が働き、量子化磁束が運動する。これらの良く知られた超伝導体の基本的な性質を活かし、本実施形態では、穴１２を穿設した超伝導ストリップ１１に直流バイアス電流を流すことで、適当な条件下で穴１２に自発的に量子化磁束が出入りしてテラヘルツ程度の周波数で自励発振させる。すなわち、本実施形態では、穴１２の周囲の環状電流による磁気モーメントが時間的に振動することで、ダイポールアンテナの原理により連続的でコヒーレントなテラヘルツ帯の電磁波が図１に１６で示すように放射される。
【００１７】
図２は、長手方向の縁部に切り込みのある超伝導ストリップにおける臨界電流と量子化磁束の運動を示す。図２(Ａ)は、超伝導ストリップ２１の長手方向の下側縁に切り込み２２があり、同図(Ｂ)は上側縁に切り込み２５がある。なお、シミュレーション上の都合により、超伝導ストリップ２１の厚さｄは磁場侵入長λより小で、例えば約１０ｎｍであり、また超伝導ストリップ２１の幅ｗは
ｄ≪ｗ＜λ2/ｄ
からなる不等式を満足する値で、例えば約１００ｎｍに設定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１８】
図２(Ａ)において、超伝導ストリップ２１の左端側から右端側方向へ臨界電流Ｉcよりも大なる直流バイアス電流Ｉoを流すと、切り込み２２から図２の紙面に対して表から裏方向へ向いた量子化磁束(反渦糸(antivortex))２３に対して、超伝導ストリップ２１の幅方向で、かつ、上方向２４に駆動力が働いて量子化磁束２３が上方向へ移動する。一方、図２(Ｂ)において、超伝導ストリップ２１の左端側から右端側方向へ臨界電流Ｉcよりも大なる直流バイアス電流Ｉoを流すと、切り込み２５から図２の紙面に対して裏から表方向へ向いた量子化磁束(渦糸(vortex))２６に対して、超伝導ストリップ２１の幅方向で、かつ、下方向２７に駆動力が働いて量子化磁束２６が下方向へ移動する。
【００１９】
一方、図３に示すように幅方向の中央位置に菱形の穴３２が穿設されている超伝導ストリップ３１の左端側から右端側方向へ臨界電流Ｉcよりも大なる直流バイアス電流Ｉoを流すと、穴３２の菱形の上角部で紙面に対して表から裏方向へ向いた量子化磁束(反渦糸(antivortex))３３に対して、超伝導ストリップ３１の幅方向で、かつ、上方向３４に駆動力が働いて量子化磁束３３が上方向へ移動する。一方、穴３２の菱形の下角部で紙面に対して裏から表方向へ向いた量子化磁束(渦糸(vortex))３５に対して、超伝導ストリップ３１の幅方向で、かつ、下方向３６に駆動力が働いて量子化磁束３５が下方向へ移動する。また、この場合、菱形の穴３２内の磁束は常にゼロである。すなわち、この場合は穴３２には量子化磁束は出入りしないため、磁気モーメントの時間的な振動は生じない。そこで、本発明では図１に示したように、適当な条件下で穴１２に自発的に量子化磁束が出入りしてテラヘルツ程度の周波数で自励発振させるため、穴１２は超伝導ストリップ１１の幅方向の非対称位置に穿設されている。
【００２０】
上記の動作原理について更に詳細に説明する。図４−図７は、本発明に係る電磁波発振器の一実施形態の動作原理の説明図を示す。図４−図７において、超伝導ストリップ４１の幅方向の中心位置よりも上側の非対称位置に菱形の穴４２が穿設されている。まず、図４に示すように、穴４２内の磁束がゼロである状態において、超伝導ストリップ４１の左端側から右端側方向へ直流バイアス電流Ｉoを流すと、直流バイアス電流Ｉ0は分流され、穴４２の上側角部と超伝導ストリップ４１の上端縁との狭い上側端部領域を直流バイアス電流Ｉ1として流れ、穴４２の下側角部と超伝導ストリップ４１の下端縁との広い下側端部領域を直流バイアス電流Ｉ2として流れる。ここで、Ｉ0＝Ｉ1＋Ｉ2である。また、Ｉ1＜Ｉ2である。
【００２１】
一方、上側端部領域の臨界電流Ｉc1と下側端部領域の臨界電流Ｉc2とはＩc1＜Ｉc2の関係がある。ただし、ここではＩ1＞ＩC1、Ｉ2＜Ｉc2の関係が成り立つように穴４２のサイズと位置及び直流バイアス電流値Ｉ0が選定されている。これにより、図５に示すように、上側端部領域において４３で示すように紙面に対して表から裏方向へ向いた量子化磁束(反渦糸(antivortex))が発生し、その量子化磁束４３に対して、直流バイアス電流Ｉ1の方向に直交する、超伝導ストリップ４１の幅方向で、かつ、上方向に駆動力が働いて量子化磁束４３が矢印４４で示すように上方向へ移動する。
【００２２】
また、量子化磁束４３の発生により、穴４２に図６に４５で示すように、紙面に対して裏から表方向へ向いた量子化磁束が捕捉(トラップ)され、その量子化磁束４５により穴４２の周囲に矢印４６で示すように反時計方向に環状電流Ｉfが流れる。この環状電流Ｉfは図６において、穴４２の上側端部領域では４７で示すように直流バイアス電流Ｉ1と反対方向に流れ、穴４２の下側端部領域では４８で示すように直流バイアス電流Ｉ2と同方向に流れる。このため、穴４２の上側端部領域に流れる電流は(Ｉ1−Ｉf)となり、臨界電流Ｉc1より小となる。一方、穴４２の下側端部領域に流れる電流は(Ｉ2＋Ｉf)となり、臨界電流Ｉc2より大となる。
【００２３】
これにより、図７に示すように、下側端部領域において４９で示すように紙面に対して裏から表方向へ向いた量子化磁束(渦糸(vortex))が発生し、その量子化磁束４９に対して、直流バイアス電流Ｉ2の方向に直交する、超伝導ストリップ４１の幅方向で、かつ、下方向に駆動力が働いて量子化磁束４９が矢印５０で示すように下方向へ移動する。また、量子化磁束４９の発生により、それまで穴４２内にトラップされていた量子化磁束４５が穴４２から出て行き(量子化磁束４５が量子化磁束４９により消失し)、図７に示すように穴４２内の磁束は元のゼロに戻る。穴４２内の磁束がゼロになると、再び図４に示す状態となる。
【００２４】
図４に示す状態となると、量子化磁束は再び図５、図６、図７に示した状態に順次変化する。すなわち、図４→図５→図６→図７→図４→・・・の状態が繰り返され、穴４２内の量子化磁束は「０」(図４、図７のとき)と「φ0」(図５、図６のとき)とが交互に変化する自励発振現象が生じる。
【００２５】
このように、図８の平面図(図４−図７の平面図と同じ)に示すように、幅方向の中心位置よりも上側の非対称位置に菱形の穴４２が穿設された超伝導ストリップ４１に対して、幅方向と直交する長手方向に直流バイアス電流Ｉ0を流すと、以下の条件、
Ｉ1＞Ｉc1＞Ｉ1−Ｉf
Ｉ2＜Ｉc2＜Ｉ2＋Ｉf
を満足する場合には、穴４２内の量子化磁束が振動する(出入りする)。
その結果、穴４２の周囲の環状電流Ｉfが作る磁気モーメントが時間的に振動する自励発振現象が生じ、磁気モーメントの時間的振動により図１に１６で示したように電磁波が穴４２(図１の穴１２に相当)の周囲に放射される。上記の量子化磁束の運動、あるいは磁気モーメントの時間的な振動の周期は、サブテラヘルツ(ミリ波)〜テラヘルツ(サブミリ波)程度であるので、穴４２の周囲にテラヘルツ帯電磁波が発振出力されることになる。
【００２６】
なお、直流バイアス電流Ｉ0の値を増加させると、量子化磁束に働く駆動力が大きくなり、量子化磁束が運動する速度が速くなる。すると、超伝導ストリップ４１の穴４２に頻繁に量子化磁束が出入りするので、穴４２の周囲の環状電流が時間的に振動する周期が短くなり、従って電磁波の発振周波数が高くなる。
【００２７】
このように、図１に示した本実施形態の電磁波発振器１０によれば、幅方向において非対称位置に穴１２が穿設された超伝導ストリップ１１に、直流電流源１３から直流バイアス電流を流すという極めて簡単な構成により、テラヘルツ帯電磁波を発振出力することができ、しかも基本構成要素である超伝導ストリップ１１の長さは１μｍ程度であるので、従来に比べて極めて小型な構成により局所的な電磁波を発生することができる。因みに、特開２００９−２２４４８２号公報に開示された、従来の超伝導体ＢＳＣＣＯ単結晶を用いたテラヘルツ帯電磁波発生装置では、単結晶の最大寸法が４００μｍである。また銅酸化物高温超伝導体単結晶を用いた従来の電磁波発振器も、単結晶のサイズは４００μｍ程度である。また、本実施形態の電磁波発振器１０によれば、直流電流源１３を可変電流源として直流バイアス電流を可変させることで、容易に発振周波数を変化させることができる。また、これにより、直流バイアス電流を連続的に変化させることで発振周波数の掃引ができる。
【００２８】
次に、本発明に係る電磁波発振器の実施例であるシミュレーション結果について説明する。
図９は、本発明に係る電磁波発振器の一実施例の基本構成の平面図を示す。同図において、超伝導ストリップ５１は、長さＬ、幅ｗであり、また幅方向の非対称位置に半径ｒhの円形の穴５２が穿設されている。穴５２の中心は超伝導ストリップ５１の幅方向中心位置から上方向にｙhだけずれている。
【００２９】
本実施例では、ｗ＝５０ξ、ｒh＝１０ξ、ｙh＝５ξ、Ｌ＝４ｗとする。また、直流バイアス電流Ｉbは０.６０Ｉdとする。ここで、Ｉd＝φ0ｗｄ/(３3/2πμ0ξλ2)である。ただし、φ0は磁束量子で２.０７×１０-15Ｗｂ、μ0は真空透磁率で４π×１０-17Ｈ/ｍ、ｄは超伝導ストリップ５１の厚さ、ξは超伝導体のコヒーレンス長、λは超伝導体の磁場侵入長である。かかるパラメータ値を用いたシミュレーションで得られた、磁気モーメントの振動周期ｔp、振動振幅Ｍは以下で表される。
ｔp＝２１.１τGL  (ただし、τGL＝ｈ/(１６κBＴc)
Ｍ＝５６５ｍ0    (ただし、ｍ0＝φ0ξ2ｄ/(２πμ0λ2))
ここで、ｈはプランク定数で６.６３×１０-34Ｊｓ、κBはボルツマン定数で１.３８×１０-23Ｊ/Ｋ、Ｔcは超伝導体の臨界温度である。また、ｍ0は磁気モーメントの定数である。また、ηは真空インピーダンスで１２０πΩ(＝３９７Ω)、ｆは磁気モーメントの振動周波数、ｃは光速で３.０×１０18ｍ/ｓである。
【００３０】
図１０(Ａ)、(Ｂ)は、超伝導体ストリップ５１としてＭｇＢ2を想定したときの時間依存Ginzburg-Landau方程式を基にしたシミュレーション結果による時間対磁気モーメント特性図を示す。図１０(Ａ)、(Ｂ)は、横軸はτGLで規格化された時間軸でｔ/τGLを示し、縦軸は前記定数ｍ0で規格化された磁気モーメントＭを示す。ここで、ＭｇＢ2の場合、超伝導体のコヒーレンス長ξは５ｎｍ、超伝導体の磁場侵入長λは１００ｎｍ、超伝導ストリップ５１の厚さｄを５０ｎｍ、臨界温度Ｔcは４０Ｋであり、τGL＝０.０７５ｐｓ、Ｉd＝２５.２ｍＡである。この条件において、図１０(Ａ)は、ストリップ幅ｗを２５０ｎｍ、穴５２の半径ｒhを５０ｎｍ、直流バイアス電流Ｉb(＝０.６Ｉd)を１５.１ｍＡとしたときの時間対磁気モーメント特性図を示す。図１０(Ａ)では、磁気モーメントの振動周波数(電磁波の周波数)ｆ(＝１/ｔp)は０.６３ＴＨｚである。
【００３１】
図１０(Ｂ)は、ストリップ幅ｗを２５０ｎｍ、穴５２の半径ｒhを５０ｎｍ、直流バイアス電流Ｉb(＝０.５５Ｉd)を１３.９ｍＡとしたときの時間対磁気モーメント特性図を示す。図１０(Ｂ)では、磁気モーメントの振動周波数(電磁波の周波数)ｆ(＝１/ｔp)は０.１２ＴＨｚである。なお、Ｉb/Ｉd≦０.５の直流バイアス電流が小であるときの条件では振動せず、Ｉb/Ｉd＝０.６５のときは不規則な振動をすることが確かめられた。
【００３２】
次に、本発明の他の実施例について説明する。本実施例では、上記実施例と比較して超伝導ストリップ５１の幅と穴５２のサイズが２倍である。すなわち、ストリップ幅ｗ＝１０００ξ、穴５２の半径ｒh＝２０ξ、穴５１の中心と超伝導ストリップ５１の幅方向中心位置とのずれｙh＝１０ξ、超伝導ストリップの長さＬ＝４ｗとする。また、直流バイアス電流Ｉbは０.６０Ｉdとする。ここで、Ｉd＝φ0ｗｄ/(３3/2πμ0ξλ2)である。かかるパラメータ値を用いたシミュレーションで得られた、磁気モーメントの振動周期ｔp、振動振幅Ｍは以下で表される。
ｔp＝２３.４τGL  (ただし、τGL＝ｈ/(１６κBＴc)
Ｍ＝９５００ｍ0  (ただし、ｍ0＝φ0ξ2ｄ/(２πμ0λ2))
【００３３】
図１１(Ａ)、(Ｂ)は、超伝導体ストリップ５１としてＭｇＢ2を想定したときのシミュレーション結果による時間対磁気モーメント特性図を示す。図１１(Ａ)、(Ｂ)は、図１０(Ａ)、(Ｂ)と同様に、横軸はτGLで規格化された時間軸でＴ(＝ｔ/τGL)を示し、縦軸は前記定数ｍ0で規格化された磁気モーメントＭを示す。ここで、ＭｇＢ2の場合、超伝導体のコヒーレンス長ξは５ｎｍ、超伝導体の磁場侵入長λは１００ｎｍ、超伝導ストリップ５１の厚さｄを５０ｎｍ、臨界温度Ｔcは４０Ｋであり、τGL＝０.０７５ｐｓ、Ｉd＝５０.５ｍＡである。この条件において、図１１(Ａ)は、ストリップ幅ｗを５００ｎｍ、穴５２の半径ｒhを１００ｎｍ、直流バイアス電流Ｉb(＝０.６Ｉd)を３０.３ｍＡとしたときの時間対磁気モーメント特性図を示す。図１１(Ａ)では、磁気モーメントの振動周波数(電磁波の周波数)ｆ(＝１/ｔp)は０.５７ＴＨｚである。
【００３４】
図１１(Ｂ)は、ストリップ幅ｗを５００ｎｍ、穴５２の半径ｒhを１００ｎｍ、直流バイアス電流Ｉb(＝０.５５Ｉd)を２７.８ｍＡとしたときの時間対磁気モーメント特性図を示す。図１１(Ｂ)では、磁気モーメントの振動周波数(電磁波の周波数)ｆ(＝１/ｔp)は０.２１ＴＨｚである。なお、Ｉb/Ｉd≦０.５の直流バイアス電流が小であるときの条件では振動せず、Ｉb/Ｉd＝０.６５のときは不規則で弱い振動をすることが確かめられた。
【００３５】
なお、本発明は以上の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、例えば超伝導ストリップの幅方向非対称位置に穿設する穴は図１２(Ａ)、(Ｂ)に示す形状のものでもよい。すなわち、超伝導ストリップ６０の長手方向に直交する幅方向の非対称位置に穿設された穴の形状は、図１２(Ａ)に示す円形の穴６１、同図(Ｂ)に示す菱形の穴６２でもよい。
また、穴の形状は図１２(Ａ)、(Ｂ)以外の例えば三角形、楕円形、台形などの形状でもよい。一方、幅方向の非対称位置でなく図１２(Ｃ)に示すように幅方向の中心位置に長軸が一致する楕円形状の穴６３が穿設された場合でも、超伝導ストリップの上側縁部に形成された切り込み部６４と、下側縁部に形成された切り込み部６５との大きさが異なる(穴６３と切り込み部の頂点との間の距離が異なる)場合も、切り込み部６４と穴６３との間の上側端部領域と切り込み部６５と穴６３との間の下側端部領域の面積が異なるため、前述した場合と同様に、穴６３の周囲の環状電流による磁気モーメントを時間的に振動させて穴６３の周囲にミリ波からサブミリ波までの波長領域のテラヘルツ帯電磁波を放射する発振現象を生じさせることができる。
【００３６】
更には、図１２(Ｄ)に示すように、超伝導ストリップ６０の幅方向中心部に中心が一致する矩形形状の穴６６を穿設してもよい。この場合は、まず、穴６６内に＋φ0の磁束を捕捉した状態で直流バイアス電流を超伝導ストリップ６０の長手方向に沿って流すと、穴６６の下側の２箇所の角付近から＋φ0の磁束(渦糸)がそれぞれ１個ずつ計２個発生して出て行き、穴６６には−φ0の磁束が残る(つまり、(＋１)−(＋２)＝−１)。次に、穴６６の上側の２箇所の角付近から−φ0の磁束(反渦糸)がそれぞれ１個ずつ計２個発生して出て行くので、穴６６には＋φ0の磁束が残る(つまり、(−１)−(−２)＝＋１)。以下、同様の動作が繰り返されて発振する。ただし、この図１２(Ｄ)の穴６６の場合は、熱ゆらぎなどの影響により偶発的に穴６６内の磁束がゼロになると振動が止まってしまう可能性がある。
【００３７】
なお、穴の個数は１個に限定されるものではなく複数個であってもよいし、穴を穿設した超伝導ストリップを複数積層した構造としてもよく、その場合は電力を図１の電磁波発振器１０に比べて向上することができる。また、ミリ波からサブミリ波までの波長領域のテラヘルツ帯電磁波を発振する本発明に係る電磁波発振器に用いる超伝導ストリップの材質は、前述したＭｇＢ2以外に、Ｎｂ等の金属系超伝導体、鉄系超伝導体、あるいは銅酸化物高温超伝導体を使用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    電磁波発振器
１１、２１、３１、４１、５１、６０    超伝導ストリップ
１２、３２、４２、５２、６１〜６３、６６    穴
１３    直流電流源
１４ａ、１４ｂ    電流端子
１５ａ、１５ｂ    ワイヤ
１６    電磁波
２２、２５、６４、６５    切り込み
２３、３３、４３    量子化磁束(反渦糸)
２６、３５、４５、４９    量子化磁束(渦糸)
４６    環状電流
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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