Coherent terahertz emission from Bi2212 intrinsic Josephson junction stacks

Abstract

Der Bereich der Terahertztechnologie hat sich in den letzten Jahren sehr schnell entwickelt, angetrieben von den Anforderungen einer Vielzahl (potentieller) Anwendungen. Das Terahertzspektrum umfasst ungefähr den Frequenzbereich von 300 GHz bis 30 THz. Im Bereich niedriger Terahertzfrequenzen mangelt es an guten und kompakten Bauelementen, die elektromagnetische Wellen emittieren. Besonders fehlen kohärente, schmalbandige und kontinuierlich betreibbare Emissionsquellen. Die Forschung verfolgt viele verschiedene Ansätze, um diese Lücke zu schließen. Die vorliegende Dissertation trägt zur Erforschung einer dieser Quellen bei: Die Verwendung von intrinsischen Josephsonkontakten als Emitter im Terahertzspektralbereich. Im resistiven Zustand betrieben lassen sich Josephsonkontakte als Konverter von Gleichspannungen in Wechselspannungen verwenden. Dabei erzeugt eine Gleichspannung von 1 mV eine Wechselspannung bei etwa 484 GHz. Intrinsische Josephsonkontakte in dem Hochtemperatursupraleiter Bi2212 (BSCCO) sind geeignete Kandidaten für die Verwendung als Terahertzemitter; die Schichtstruktur des Materials stellt bereits intrinsisch Stapel aus 1.5 nm dicken, nahezu identischen Josephsonkontakten zur Verfügung. Die Herstellung von hunderten, in Serie geschalteten Josephsonkontakten in einem mikrometerdicken Stapel ist ein Leichtes, was essentiell für die Erzeugung großer Ausgangsleistungen ist. Darüber hinaus erlaubt die supraleitende Energielücke von BSCCO im Prinzip Frequenzen bis über 10 THz. Die größte, zu überwindende Schwierigkeit ist die Synchronisierung von allen intrinsischen Josephsonkontakten, sodass kohärente Strahlung erzeugt wird. 2007 gelang es einer Forschergruppe aus den Argonne National Laboratories, kohärente Terahertzstrahlung von mehr als 500 synchronisierten, intrinsischen Josephsonkontakten in einer Mesastruktur zu detektieren. Der zugängliche Frequenzbereich reichte von 350 bis 850 GHz, bei Ausgangsleistungen von bis zu 0.5 Mikrowatt. Es wurde vermutet, dass sich in der Kavität des Mesas stehende elektromagnetische Wellen bildeten und als Synchronisationsmechanismus dienten. Ausgehend vom vollständig resistiven Zustand (alle Kontakte weisen einen Spannungsabfall auf) trat die Terahertzstrahlung in dem Strombereich auf, in dem einzelne Gruppen von Kontakten in den spannungslosen Zustand zurückschalten. Heizeffekte sind in diesem niederen Strombereich relativ schwach, wurden aber für höhere Eingangsleistung beobachtet. Für die vorliegende Arbeit wurden ähnliche Strukturen von H.B. Wang am National Institute for Material Science in Japan hergestellt. Vorausgehende Untersuchungen legten nahe, dass die Emission von Terahertzstrahlung auch für höhere Eingangsleistungen auftreten sollte. In diesem Bereich entstehen zwei elektrothermische Domänen in den Mesastrukturen, eine heißere (sog. Hotspot) und eine kältere, noch supraleitende Domäne. Diese Vermutung konnte im Rahmen der vorliegenden Dissertation bestätigt werden. Dabei konnten die elektrothermischen Domänen in Kombination mit Strukturen von elektromagnetischen, stehenden Wellen im Emissionsbereich mittels Tieftemperaturrasterlasermikroskopie abgebildet werden. Unter Verwendung unterschiedlicher Probengeometrien konnte die Interaktion des Hotspots und der Wellenstrukturen, sowie deren gezielte Manipulation demonstriert werden. Um die Linienbreite der Strahlung zu bestimmen, wurden Messungen mit einem supraleitenden, integrierten Receiver am Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics in Moskau durchgeführt. Diese Messungen zeigten eine Linienbreite von etwa 50 MHz in Anwesenheit des Hotspots in der Probe. Dies ist etwa eine Größenordnung weniger als in dem Bereich, in dem keine Domänenbildung vorliegt. Durch die theoretische Untersuchung der Wärmebalance in einer Mesa konnten wir zeigen, dass die Bildung von elektrothermischen Domänen sich in der starken Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit in $c$-Achsenrichtung von BSCCO begründet. Das Lösen der dreidimensionalen Wärmediffusionsgleichung für tatsächliche Probengeometrien ermöglichte es uns, realistische Temperaturprofile für die Mesas zu erstellen. Die meisten BSCCO Strukturen, die Emission von kohärenter Terahertzstrahlung aufweisen, wurden in Form von Mesas hergestellt. Wir konnten zeigen, dass Proben, die unter Verwendung der sogenannten doppelseitigen Fabrikationsmethode hergestellt wurden, in gleicher Weise Terahertzstrahlung emittieren.

In recent years, terahertz technology has become a rapidly growing sector, driven by the demands of a vast range of (potential) applications. The terahertz spectral range roughly spans from 300 GHz to 30 THz. In the low terahertz range, there is a lack of good and compact devices, that emit electromagnetic waves. Particularly, coherent, narrow-band and continuous-wave sources are lacking, and researchers are following many different approaches to fill this gap. The thesis at hand contributes to the exploration of one of those sources: Operating intrinsic Josephson junctions as emitters in the terahertz spectral range. Josephson junctions (JJs) work as direct current (dc) voltage to frequency converters, if operated in the resistive state. 1 mV voltage drop generates a frequency of about 484 GHz. Intrinsic Josephson junctions (IJJs) in the high temperature superconductor Bi2212 (BSCCO) are adequate candidates for emitting devices; the layered structure of the material intrinsically provides stacks consisting of 1.5 nm thick, nearly perfectly equal JJs. The fabrication of a series of hundreds of JJs in a stack of micrometer thickness is easily feasible, which is essential for high power frequency generation. Further, the energy gap of BSCCO is in principle large enough to allow for frequencies up to more than 10 THz. The key challenge is the synchronization of all IJJs in order to produce coherent radiation. In 2007, a research team from Argonne National Laboratories succeeded in detecting coherent terahertz radiation from more than 500 synchronized IJJs in a mesa structure. The frequencies ranged from 350 to 850 GHz with output powers up to 0.5 microwatt. They proposed the formation of electromagnetic standing waves in the cavity of the mesa as synchronization mechanism. Coming from the fully resistive state (nonzero voltage across all junctions), the radiation occurred in the bias regime, where groups of junctions switch back to the zero voltage state and heating is not severe, as observed for higher dc input power. For the present thesis, similar structures have been fabricated by H.B. Wang from the National Institute for Material Science in Japan. As preliminary studies suggested, the terahertz emission should also take place for higher input powers, where two electrothermal domains have formed in the mesa, a hot spot and a colder, still superconducting part. This presumption could be confirmed within the present work. Imaging with low-temperature scanning laser microscopy (LTSLM) allowed us to visualize the hot spots in combination with standing wave patterns in the terahertz emission regime. Using various sample geometries, we were able to demonstrate the interaction between the wave patterns and the hot spot, as well as the deliberate manipulation of these processes. In order to determine the linewidth of the radiation, measurements with a superconducting integrated receiver were performed in collaboration with the Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics in Moscow. These measurements revealed a linewidth of about 50 MHz in the presence of a hot spot, which is one order of magnitude smaller as compared to radiation occurring for low bias currents, where no hot spot is present. Investigating the heat balance in one of our mesas from a theoretical perspective, we showed that the formation of electrothermal domains (in particular hot spots) is founded in the strong temperature dependence of the electrical conductivity in c-axis direction of BSCCO. Solving the heat-diffusion equation in three dimensions for the actual sample geometry allowed us to establish realistic temperature profiles of our samples. Most samples that feature coherent terahertz emission were fabricated in a mesa geometry. We showed that samples fabricated with the so-called double-sided fabrication technique emit terahertz radiation in a similar manner.