3次元マルチスケールシミュレーションによるテラヘルツ発振特性の解析

Layer-number dependence of THz emission from intrinsic Josephson junction stacks with full 3D multi-scale simulations

太田 幸宏; 町田 昌彦  ; 小山 富男*; 松本 秀樹*

Ota, Yukihiro; Machida, Masahiko; Koyama, Tomio*; Matsumoto, Hideki*

超伝導は、その巨視的コヒーレンスに代表されるような特異な電子状態の性質を有し、その新規デバイス応用は盛んに研究されている。本研究では、層状銅酸化物超伝導体BiSrCaCuOによるテラヘルツ発振について、接合数に対する発振特性を解明するための、マルチスケールシミュレーションの実装に焦点をあてる。従来の発振シミュレーションでは、超伝導メサの軸方向に周期境界条件を課すため、接合数に応じた発振特性の分析が困難であった。この問題を解決すべく、超伝導メサ内における超伝導位相ダイナミックスにおいて境界からの寄与を陽に加えることで、メサ内で軸方向に非一様性の生成が許される、より現実的なシミュレーションを可能とする手法を開発した。得られた手法をもとに、接合数を20, 100, 200, 500と変化させて、発振ピーク強度やその角度分解の挙動を精査した。

Superconductivity leads to intriguing and useful devices, owing to its features distinct from the normal electrons. We study terahertz emission from intrinsic Josephson junction stacks in layered High- cupurate superconductors, with full 3D multi-scale simulations. Typical previous simulations of this issue had the restriction on examining the layer-number dependence of emission spectrum, since a periodic boundary condition along -axis inside a superconducting mesa is imposed for brevity. In this article, we develop a method to resolve this theoretical limitation, taking the boundary effects from the electrodes attached to the superconducting mesa into account. The present simulations show an explicit dependence of the emission characteristics on the number of superconducting layers.