Terahertz radiation from intrinsic Josephson junctions in Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8+delta - dynamics, tunability, and applications

Abstract

Terahertz (THz) radiation offers many new possibilities for applications, e. g., for spectroscopy, high-bandwidth data communication, medical diagnosis, and security screening. However, these potential applications are still largely unused because there are only a few devices available to generate these frequencies. Especially, from 0.3 to 2 THz there is a lack of coherent, compact, low-cost, tunable, and high-power emitters. Devices based on fast electronic circuits usually work at lower frequency and photonic systems at much higher frequencies. Unfortunately, there is no overlap of these technologies. To close this so-called THz gap one can use Josephson junctions which can convert an applied dc voltage into an ac current and, thus, are able to emit electromagnetic waves. According to the Josephson relation, an applied dc voltage of 1 mV translates into a frequency of 483.6 GHz. Especially, intrinsic Josephson junctions (IJJs) occurring in the high-temperature superconductor Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8+delta (BSCCO) are attractive sources of radiation due to their large frequency range of, in principle, up to 10 THz, and the easy fabrication of hundreds of almost identical junctions stacked on top of each other. The challenging part is to achieve phase synchronization among the junctions to obtain high power emission that scales with the square of the number of junctions. Currently, IJJ stacks with emission powers up to tens of microwatts have been realized, and frequencies ranging from 0.2 to 2.4 THz can be generated. High-precision frequency measurements revealed linewidths down to some megahertz, which is already practical for applications. However, a device that combines all these features does not exist yet. Especially, at higher frequencies above 1 to 2 THz the emission power decreases strongly and the linewidth becomes broad. The group in Tübingen investigates THz generation from IJJ stacks in close collaboration with the groups of H. B. Wang (Research Institute of Superconductor Electronics, Nanjing University, China & National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan) and V. P. Koshelets (Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Moscow, Russia). Within this collaboration, goals of this thesis were (1) to gain a deeper understanding of the mechanisms of THz generation from IJJ stacks and (2) to find ways how to tune and how to optimize the emission properties of the samples. As a third goal, if possible, some potential applications should be demonstrated. To understand the physical behavior in more detail and to study the influence of individual parameters on the system a three-dimensional numerical model for large stacks of IJJs was developed. Typically, such stacks with a large number of junctions strongly suffer from Joule heating, such that the temperature distribution becomes highly inhomogeneous and temperature dependencies of all involved physical quantities need to be considered. Based on combined heat diffusion equations and coupled sine-Gordon equations, covering both the thermal physics and the Josephson physics, numerical simulations were done allowing one to have a look into the dynamics of phase synchronization, hot spot formation, and the excitation of standing waves in the stack of junctions acting as a cavity for electromagnetic waves. The overall behavior of the system as well as effects of an external magnetic field were studied and compared to experimental data. In experiment, a simple array structure was investigated systematically to study the thermal and electric interaction of two nearby IJJ stacks. Moreover, ways to modify and tune the emission properties of BSCCO samples were studied. For instance, it was found that the emission power strongly depends on the position of the hot spot that develops at high-bias currents due to the strong self-heating of the samples. Also, a precise tuning of the emission power is possible by using a focused laser beam that locally heats the sample surface. Furthermore, charge carrier injection was used to change the doping level of the crystal affecting the emission properties. Since the long-term goal is to build a compact, tunable, and coherent device for a large field of applications at THz frequencies, some first, simple applications are presented which show that BSCCO stacks are suitable candidates as emitters. A compact THz emitter system was built, working at liquid nitrogen temperatures with a commercial 1.5 V battery making it cheap, portable, and easy to handle. Furthermore, spectroscopy experiments were done, showing that it is possible to detect gases like water vapor and ammonia.

Terahertzstrahlung bietet viele neue Möglichkeiten für Anwendungen in Bereichen der Spektroskopie, breitbandiger Datenübertragung, medizinischer Diagnostik und bei Sicherheitskontrollen. Viele dieser Anwendungen werden jedoch nicht genutzt, da es nur wenige Bauelemente gibt, die in der Lage sind, Strahlung in diesem Frequenzbereich zu erzeugen. Insbesondere im Bereich zwischen 0,3 und 2 THz mangelt es an günstigen, kompakten, kohärenten und durchstimmbaren Strahlungsquellen mit hoher Intensität. Schnelle Schaltkreise in der Hochfrequenzelektronik arbeiten bei niedrigeren Frequenzen und photonische Systeme, wie beispielsweise Laser, bei höheren Frequenzen. Einen Überlapp der beiden Technologien gibt es jedoch nicht. Um diese sogenannte Terahertzlücke zu schließen, können z. B. Josephsonkontakte eingesetzt werden, die eine angelegte elektrische Gleichspannung in einen Wechselstrom umwandeln können und deshalb in der Lage sind elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Bei einer Gleichspannung von 1 mV entsteht so gemäß der Josephsonrelation ein Wechselstrom mit der Frequenz von 483,6 GHz. Besonders intrinsische Josephsonkontakte (IJKs), die im Hochtemperatursupraleiter Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8+delta (BSCCO) vorkommen, sind attraktive Strahlungsquellen aufgrund des hohen Frequenzbereichs bis zu 10 THz und der einfachen Herstellung von Stapel vieler hunderter, fast identischer Kontakte. Herausfordernd ist jedoch vor allem die Phasensynchronisation der oszillierenden Ströme in allen Kontakten, um eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen, die mit dem Quadrat der Anzahl an Kontakten steigt. Momentan ist es möglich Stapel von IJKs mit einer Strahlungsleistung von einigen Zehn Mikrowatt herzustellen und Frequenzen von 0,2 bis 2,4 THz zu erzeugen. Präzise Frequenzmessungen ergaben Linienbreiten hinunter bis zu wenigen Megahertz, was für praktische Anwendungen bereits ausreichend ist. Ein Quelle, die all diese Eigenschaften vereint, existiert jedoch leider noch nicht. Insbesondere bei höheren Frequenzen über 1-2 THz bricht die Strahlungsleistung deutlich ein und die Linienbreite wächst. Die Untersuchung der Terahertzemission von IJK Stapeln in Tübingen findet in enger Kooperation mit den Arbeitsgruppen von H. B. Wang (Research Institute of Superconductor Electronics, Nanjing Universität, China & National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan) und V. P. Koshelets (Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Moskau, Russland) statt. Im Rahmen dieser Kooperation waren die Ziele der vorliegenden Arbeit, (1) ein tieferes Verständnis für die physikalischen Vorgänge in Stapeln von IJKs zu gewinnen und (2) Wege zu finden, wie sich die Strahlungseigenschaften beeinflussen und optimieren lassen. Drittens sollte nach Möglichkeit untersucht werden, inwieweit bereits jetzt schon diese Art von Emitter in praktischen Anwendungen eingesetzt werden können. Um das physikalische Verständnis zu verbessern und um die Einflüsse verschiedener Parameter auf das System zu untersuchen, wurde ein dreidimensionales numerisches Modell zur Beschreibung großer Stapel von IJKs entwickelt. Da Joulesches Heizen bei Stapeln mit einer großen Zahl von Kontakten für gewöhnlich zu einem starken Selbstheizeffekt und zu einer extrem inhomogenen Temperaturverteilung führt, müssen bei der numerischen Beschreibung die Temperaturabhängigkeiten aller physikalischen Größen berücksichtigt werden. In Simulationen mit einem kombinierten System von Wärmeleitungsgleichungen zur Beschreibung der thermischen Physik und gekoppelten Sinus-Gordon-Gleichungen, welche die Josephsonphysik beinhalten, konnten Phasensynchronisation, die Entstehung von Hotspots und Stehwellen im Stapel, der als Kavität für elektromagnetische Wellen fungiert, beobachtet werden. Das generelle Verhalten des Systems und Effekte eines externen Magnetfelds wurden untersucht und mit Messdaten aus Experimenten verglichen. Auf der experimentellen Seite wurde die thermische und elektrische Wechselwirkung zweier nebeneinander stehender Stapel als einfache Arraystruktur systematisch untersucht. Weiterhin wurden Möglichkeiten gesucht, wie die Strahlungseigenschaften der Quellen manipuliert und optimiert werden können. Beispielsweise konnte gezeigt werden, dass die Strahlungsintensität stark von der Position des Hotspots abhängt, der bei höheren Strömen aufgrund des starken Selbstheizeffekts entsteht. Außerdem ist es möglich die Strahlungsleistung zu beeinflussen, indem ein Laser auf die Stapeloberfläche fokussiert wird und die Probe lokal heizt. Die Injektion von Ladungsträgern durch das Anlegen hoher Ströme führte zu einer Änderung der Dotierung des BSCCO-Kristalls und ebenfalls zu einer Veränderung der Strahlungseigenschaften. Da das eigentliche Ziel dieser Forschung in der praktischen Anwendung von Terahertzstrahlung liegt, werden im Rahmen dieser Arbeit auch einfache Möglichkeiten für Anwendungen präsentiert, die zeigen, dass BSCCO Stapel als Emitter geeignet sind. Es wurde ein kompaktes Emittersystem gebaut, welches zur Kühlung ausschließlich flüssigen Stickstoff benötigt und mit einer gewöhnlichen 1,5 V Batterie arbeitet, was es günstig, mobil und einfach zu verwenden macht. Ebenso konnte bei Spektroskopieexperimenten gezeigt werden, dass es möglich ist, Gase wie beispielsweise Wasserdampf und Ammoniak zu detektieren.