WO2016204273A1

WO2016204273A1 - テラヘルツ帯域電磁波発振素子およびテラヘルツ帯域電磁波発振装置

Info

Publication number: WO2016204273A1
Application number: PCT/JP2016/068107
Authority: WO
Inventors: 隆成柏木; 和男門脇; 英俊南; リチャードアンドリュークレム
Original assignee: 国立大学法人筑波大学; ユニバーシティオブセントラルフロリダリサーチファウンデーション，インコーポレイテッド
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2016-12-22
Also published as: JP2017010983A; US20180175273A1

Abstract

テラヘルツ帯域電磁波発振素子は、テラヘルツ帯域電磁波を発振する独立したテラヘルツ波発振部を備え、前記テラヘルツ波発振部は、交流ジョセフソン効果を利用して複数のジョセフソン接合が協調して振動することによりテラヘルツ帯域電磁波を発振できる多重積層型ジョセフソン接合を有し、かつ、前記多重積層型ジョセフソン接合の積層面と平行な切断面が円形である円板状の超伝導体からなる。

Description

テラヘルツ帯域電磁波発振素子およびテラヘルツ帯域電磁波発振装置

　本発明は、テラヘルツ帯域電磁波発振素子およびテラヘルツ帯域電磁波発振装置に関する。本願は、２０１５年６月１７日に、日本に出願された特願２０１５－１２２０５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　テラヘルツ（ＴＨｚ）波は、電波と光（遠赤外）の中間領域の波長をもつ電磁波である。テラヘルツ波の周波数は明確な定義はないが、３００ＧＨｚ～１０ＴＨｚ（波長３０μｍ～１ｍｍ）と言われている。この周波数帯域は、分子の配向や回転、高分子の振動、水素結合などで結合した分子間の振動、結晶格子振動などの周波数とほぼ等しい。そのため、有機物、高分子化合物、酵素、タンパク質、生体物質の同定に用いることができる。これらの物質の同定だけでなく、非破壊検査、セキュリティ、医療診断、気象観測、環境モニター、天文学、高速大容量通信等の極めて幅広い範囲での応用が可能であり、注目を集めている。

　テラヘルツ波の発振手段としては、例えば量子カスケード・レーザー（ＱＣＬ）、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、超伝導体における超伝導層と絶縁層とのジョセフソン結合を利用した発振器、等が知られている。

　量子カスケード・レーザーは、半導体量子井戸中に形成されるエネルギー準位間の光学遷移を利用して発振する。半導体量子井戸中に形成されるエネルギー差が小さい場合は、熱エネルギーによる遷移が生じ、窒素沸点以上の温度領域では、適切な駆動が難しい。共鳴トンネルダイオードは、半導体中の伝導電子の運動を利用している。そのため、伝導電子の駆動を適切に制御する必要がある。特定の周波数域を発振する際には、この電子の駆動を適切に行うことが難しい。

　そこで、近年、高温超伝導体がもつ固有ジョセフソン接合を利用した発振器に注目が集まっている（例えば、特許文献１、２及び非特許文献１）。この発振器は、超伝導体の交流ジョセフソン効果に伴うジョセフソンプラズマを用いて、テラヘルツ波を放射する。幾何学的な構造体が有する固有周波数と、このジョセフソンプラズマと、を共振させることで、この発振器は強いピーク強度を有するテラヘルツ波を放射する。

特開２００９－４３７８７号公報特開２００５－２５１８６３号公報

Ｔｓｕｊｉｍｏｔｏ　ｅｔ　ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０５，０３７００５（２０１０）．

　高温超伝導体が持つ固有ジョセフソン接合を利用したテラヘルツ帯域電磁波発振素子は、原理的には、１５ＴＨｚ程度の発振は実現可能と言われている。しかしながら、高周波領域のテラヘルツ波の発振が実現できたという報告はなされていないというのが現状である。現在、高温超電導体が持つ固有ジョセフソン接合を利用したテラヘルツ帯域電磁波発振素子として報告されている例としては、１．６ＴＨｚのテラヘルツ波の観測例が最大のものである。

　一般に発振されるテラヘルツ波は、超伝導体に印加される電圧に比例する。そのため、原理的には超伝導体に印加する電圧を高くすれば、高周波数のテラヘルツ波を発振できるはずである。しかしながら、現実の素子においては、超伝導体に印加する電圧を高くすると、超伝導体が発熱してしまう。超伝導体が発熱すると、超伝導層と絶縁層の積層構造を有する超伝導体の絶縁層の絶縁性が低下する。場合によっては、超伝導体に部分的なホットスポットと呼ばれる高温部が形成される。この部分は、短絡抵抗として振る舞い、絶縁層の絶縁性が低下させる。そのため、超伝導体の単結晶に印加する電圧を単純に高めることができず、１．６ＴＨｚ以上の周波数のテラヘルツ波を発振できる超伝導体を利用したテラヘルツ帯域電磁波発振素子の報告はされていない。

　超伝導体を利用したテラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置の利用範囲を高めるために、高周波数のテラヘルツ波を発振できる超伝導体を利用したテラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置が切に求められている。

　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、発生する熱を効率的に排熱することができるテラヘルツ帯域電磁波発振素子およびテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供することを目的とする。

　本発明者らは、鋭意検討の結果、所定の形状を有し、その構造下部に超伝導体からなる基板を有さない単独の超伝導体に、電圧を印加することで、高周波数のテラヘルツ波が発振することを見出した。
　すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係るテラヘルツ帯域電磁波発振素子は、テラヘルツ帯域電磁波を発振する独立したテラヘルツ波発振部を備え、前記テラヘルツ波発振部は、交流ジョセフソン効果を利用して複数のジョセフソン接合が協調して振動することによりテラヘルツ帯域電磁波を発振できる多重積層型ジョセフソン接合を有し、かつ、前記多重積層型ジョセフソン接合の積層面と平行な切断面が円形である円板状の超伝導体からなる。

（２）上記（１）に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子において、前記超伝導体の両端面に接続された電極をさらに備えてもよい。

（３）上記（２）に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子において、前記電極のいずれかを支持する基板をさらに有し、前記基板の熱伝導率が、前記超伝導体の熱伝導率よりも高くてもよい。

（４）上記（１）に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子において、前記基材はサファイア、ダイヤモンドまたは銅のいずれかであってもよい。

（５）上記（１）～（４）のいずれか一つに記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子において、前記超伝導体が前記電極の間に複数配置されていてもよい。

（６）本発明の一態様に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、上記（１）～（５）のいずれか一つに記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子と、前記電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備える。

　本発明の一態様にかかるテラヘルツ帯域電磁波発振素子およびテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、２ＴＨｚ以上の周波数のテラヘルツ波を発振できる。

本発明の一態様に係るテラヘルツ帯域電磁波発振素子の斜視模式図である。超伝導体の単結晶の結晶構造を模式的に示した図である。従来のテラヘルツ帯域電磁波発振素子の一例であり、非特許文献１に記載されたテラヘルツ帯域電磁波発振素子の斜視模式図である。本発明の他の態様に係るテラヘルツ波発振素子の斜視模式図であり、超伝導体が複数配列した構造を模式的に図示した斜視模式図である。本発明の一態様に係るテラヘルツ波発振素子の斜視模式図であり、電極をホーンアンテナ状に加工した場合の断面模式図である。本発明の他の態様に係るテラヘルツ帯域電磁波発振素子の斜視模式図である。本発明の一態様に係るテラヘルツ帯域電磁波発振装置を模式的に示した斜視模式図である。実施例１の発振スペクトルを示す。

　以下、テラヘルツ帯域電磁波発振素子およびテラヘルツ帯域電磁波発振装置について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
　以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（テラヘルツ帯域電磁波発振素子）
　図１は、本実施形態にかかるテラヘルツ帯域電磁波発振素子の斜視模式図である。図１に示すように、本実施形態にかかるテラヘルツ帯域電磁波発振装置１０は、テラヘルツ帯域電磁波を発振するテラヘルツ波発振部が円板状の超伝導体１からなる。

　超伝導体１の両端には、電極２が接続されている。図１では、超伝導体１に対して電極２を大きく図示しているが、この場合に限られない。例えば、点接点でもよい。また図１では、発明の構成を理解しやすくするために、一方の電極を離して図示しているが、実際には超伝導体１の端面に接続されている。超伝導体１の周囲は、熱伝導性の高いサーマルグリース等で覆ってもよい。

　超伝導体１は、超伝導層と絶縁層の積層構造を有する。すなわち、超伝導体１は、ジョセフソン接合を積層した構造をしている。図２は、超伝導体１の一例であるＢｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ（Ｂｉ２２１２）の結晶構造である。図２において、三角錐はＣｕとＯで形成されており、白丸はＳｒ、黒丸は酸素、斜線が付された丸はＣａ、点状の模様が付された丸はＢｉを示す。図２の場合、ＣｕＯ_２層が超伝導層１ａであり、Ｂｉ_２Ｏ_２層が絶縁層１ｂとなる。すなわち、超伝導体１は、超伝導層１ａ／絶縁層１ｂ／超伝導層１ａが原子レベルで積層した構造である。

　各超伝導層１ａ同士は、ジョセフソン効果により絶縁層１ｂを介しても超伝導電流が流れる。Ｂｉ２２１２の場合、１μｍの単結晶中に約６７０接合のジョセフソン接合が形成されている。

　図２では、単結晶１の一例としてＢｉ２２１２を提示したが、超伝導体１は交流ジョセフソン効果を生じることができれば、当該結晶構造に限られない。例えば、結晶構造の異なるＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ（Ｂｉ２２２３）等を用いることもできる。

　超伝導体１は、ジョセフソン接合の積層面と垂直な方向に電圧が印加されると、テラヘルツ波を発振する。テラヘルツ波の発振の原理を以下に簡単に説明する。
　超伝導体１のジョセフソン接合の積層面と垂直な方向に電圧が印加すると、交流ジョセフソン効果が生じる。交流ジョセフソン効果は、極めて薄い絶縁層を介した二つの超伝導体の間に一定の電圧Ｖ_Ｊを印加すると、交流電流が流れる現象のことを言う。

　このときの交流電流の振動数ｆ_Ｊは以下の式（１）で表示することができる。ｅは電気素量、ｈはプランク定数である。
　ｆ_Ｊ＝（２ｅ／ｈ）Ｖ_Ｊ　・・・（１）

　電気素量およびプランク定数は一定であるため、式（１）で示すように、交流電流の振動数ｆ_Ｊは、ジョセフソン接合一層当りに印加した電圧Ｖ_Ｊに比例する。このように、単結晶１内に電流が流れることで、電磁波（以下、「非共振のテラヘルツ波」ということがある）が発生する。この電磁波がテラヘルツ波であり、超伝導体１からなるテラヘルツ波発振部から外部に放射される。

　ここで発振されるテラヘルツ波は、それほど強度が強くない。強度の強いテラヘルツ波は、超伝導体１の幾何学的構造により生じる固有周波数ｆ_ｃと共振することで得られる。

　固有周波数ｆ_ｃとは、物質の形状およびサイズによって影響を受ける周波数である。ある物質が閉じられた領域を有すると、その物質内では、境界条件に基づいた定在波が形成される。この定在波の周波数が固有周波数ｆ_ｃである。
　例えば、図１に示すように、超伝導体１が円板状である場合、超伝導体１内に定在波が形成される。形状が円板の場合、固有周波数ｆ_ｃは、以下で表される。
　ｆ_ｃ＝χ_１１ｃ_０／２πｎａ・・・（２）
　ここで、基本波の場合χ_１１は１．８４１であり、ｃ_０は真空中の光速、ｎは屈折率、ａは円板の半径である。

　この固有周波数ｆ_ｃと交流ジョセフソン効果に伴う振動電流の周波数ｆ_Ｊが一致すると、積層するジョセフソン接合間で振動電流が位相を揃えて（コヒーレントに）流れ、共振が生じる。その結果、強い強度ピークを有するテラヘルツ波（以下、「共振のテラヘルツ波」ということがある）が超伝導体１からなるテラヘルツ波発振部から外部に放射される。

　テラヘルツ波発振部は、円板状の超伝導体１からなる。従来のテラヘルツ帯域電磁波発振素子では、円板状の超伝導体に加えて、その下方に基板上の超伝導体が設けられていることが一般的であり、この点が異なる。

　図３は、従来のテラヘルツ帯域電磁波発振素子の一例であり、非特許文献１に記載されたテラヘルツ帯域電磁波発振素子の斜視模式図である。図３に示すように、従来のテラヘルツ帯域電磁波発振素子５０は、大きな超伝導の単結晶を集束イオンビーム（ＦＩＢ，Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ）で削るように加工することで形成されている。すなわち、加工によってメサ部５１の下方に形成された部分が基板５２として機能する。換言すると、メサ部５１と、メサ部５１の下方に設けられた基板５２は、同一の超伝導体からなり一体化している。

　従来のテラヘルツ帯域電磁波発振素子５０に電圧が印加されると、同一の超伝導体の単結晶からなるメサ部５１と基板５２のいずれにも交流電流が生じる。すなわち、テラヘルツ波はメサ部５１及び基板５２で生じる。実際には、固有振動数ｆ_ｃを決める主要因はメサ部５１であるため、共振のテラヘルツ波はメサ部５１から発振されるが、メサ部５１は基板５２と一体化され独立しておらず、その境界は明確ではない。

　これに対し、本実施形態に係るテラヘルツ波発振部は、円板状の超伝導体１からなる。
超伝導体１は、その両端に電極２が接続されているが、超伝導体１と電極２は異なる物質である。このように、テラヘルツ波発振部が円板上の超伝導体１のみからなることを、本明細書においては「単独」と表現することがある。

　超伝導体１が単独で存在すると、２つの利点がある。
　まず一つ目の利点は、固有振動数ｆ_ｃの値が明確になるということである。テラヘルツ帯域電磁波発振素子５０のように、メサ部５１と基板５２が一体化していると、メサ部５１と基板５２の間の境界が不明確になる。そのため、閉じられた空間内に形成される定在波の波形も不明確になる。その結果、固有振動数ｆ_ｃの波長のピークがブロードになる。これに対し、超伝導体１が単独で存在すると、超伝導体１は明確な閉空間を形成するため、固有振動数ｆ_ｃの値が明確になる。したがって、より高強度のテラヘルツ波を発振しやすくなる。

　二つ目の利点は、超伝導体１の温度が高くなることが抑制されることである。式（１）に示すように、高い周波数領域のテラヘルツ波を発振するためには、超伝導体１に印加する電圧を高める必要がある。しかしながら、超伝導体１に印加する電圧を高めればそれだけ、超伝導体１が発熱する。超伝導体が発熱すると、超伝導層と絶縁層の積層構造を有する超伝導体の絶縁層の絶縁性が低下する。交流ジョセフソン効果は、極めて薄い絶縁層を介した二つの超伝導体の間に一定の電圧を印加すると、交流電流が流れる現象である。そのため、絶縁層の絶縁性が低下すると、所望の交流ジョセフソン効果を得ることができず、テラヘルツ波を発振することができない。

　テラヘルツ帯域電磁波発振素子５０のように、メサ部５１と基板５２が一体化していると、基板５２が排熱を阻害する。基板５２は超伝導体からなるため、熱伝導性が極めて悪い。これに対し、本実施形態における超伝導体１のように単独で存在すると、超伝導体１の周囲全方向に排熱することができ、超伝導体１の温度が高くなることを抑制できる。その結果、高電圧を印加することができ、式（１）に示すように高い周波数領域のテラヘルツ波を発振することができる。

　次いで、超伝導体１の形状について説明する。
　超伝導体１は、円板状である。ここで円板状とは、その多重積層型ジョセフソン接合の積層面と平行な切断面が円形であるものを意味し、円柱も含む。超伝導体１が円板状かつ単独で存在することで、２ＴＨｚ以上のテラヘルツ波を発振することができる。

　２ＴＨｚ以上のテラヘルツ波は、超伝導体１の形状を円板状にした際のみに確認される。この理由は明確ではないが、現時点では超伝導体１の形状を多重積層型ジョセフソン接合の積層面と平行な切断面が矩形である直方体状とした際には確認できていない。

　また図３で示すような下方に基板を有するテラヘルツ帯域電磁波発振素子を用いた場合に、そのメサ部の形状を直方体状から円板状に変更することで、発振するテラヘルツ波の波長が高周波数になるという訳でもない。
　すなわち、超伝導体１を円板状かつ単独とすることで、２ＴＨｚ以上のテラヘルツ波を発振することができることは、本発明者らが種々の検討の結果、初めて見出したものである。

　超伝導体１の高さは、１μｍ～１０μｍであることが好ましい。超伝導体１の高さをこの範囲にすることで、超伝導体１が高温になることを避けつつ、高強度のテラヘルツ波を発振できる。超伝導体１の高さとは、多重積層型ジョセフソン接合の積層面に対して垂直な方向の超伝導体１の厚みを意味する。

　超伝導体１の高さは、超伝導体１内に形成されるジョセフソン接合の数Ｎとして換算される。
　例えば、超伝導体１の高さをｈ、超伝導体の結晶のｃ軸長をｈ_ｃとすると以下の関係が成り立つ。
　Ｎ＝ｈ／（ｈ_ｃ／２）・・・（３）

　ジョセフソン接合の数Ｎが増えれば、それだけ発振するテラヘルツ波を高強度になる。
超伝導体１の高さが十分であれば、より高強度のテラヘルツ波を発振することができる。また１μｍ以下であると、薄すぎて取り扱いが困難になる。

　式（１）に示す電圧Ｖ_Ｊは、あくまでジョセフソン接合一層当りに印加する電圧である。そのため、実際に超伝導体１全体に印加する電圧Ｖは、ジョセフソン接合の数がＮであれば、Ｖ＝Ｎ×Ｖ_Ｊ・・・（４）となる。すなわち、超伝導体１の高さが高くなると、それだけジョセフソン接合の数Ｎが増加し、超伝導体１全体に印加する電圧Ｖが非常に大きくなる。その結果、超伝導体１が発熱しやすくなる。例えば、長期間の使用における絶縁層１ｂの絶縁性の劣化を避ける観点から、超伝導体１の高さは１０μｍ以下であることが好ましい。

　円板状の超伝導体１の直径は、適宜設計できる。ここで、円板状の超伝導体１の直径とは、多重積層型ジョセフソン接合の積層面と平行な切断面における直径を意味する。切断面の直径が変化する場合は、それらの平均値を意味する。

　式（２）に示すように、超伝導体１が円板状である場合の固有振動数ｆ_ｃは、その円板の直径に影響を受ける。円板状かつ単独の超伝導体１による２ＴＨｚ以上の周波数のテラヘルツ波は、非共振のテラヘルツ波であるか、共振のテラヘルツ波であるかは明確になっていない。そのため、円板状の超伝導体１の直径が、式（２）から求められる値であることは必ずしも必要ではない。しかしながら、円板状の超伝導体１の直径をこの範囲とすることで、超伝導体１における交流電流の振動数ｆ_Ｊと共振しやすくなり、より高強度のテラヘルツ波を得やすくなる。

　円板状の超伝導体１において、その上底部と下底部の幅は一致していることが好ましい。超伝導体１の上底部と下底部の幅は一致していることは、すなわちその端面（側面）が基板に垂直となっていることを意味する。そのため、超伝導体１内で形成される定在波が特定の周波数のみとなる。この一定の固有振周波数ｆ_ｃと交流ジョセフソン効果に伴う振動電流の周波数ｆ_Ｊが一致すると、より単色のテラヘルツ波を得ることができる。積層したジョセフソン接合同士が共振してテラヘルツ波が発振するため、その端面が基板に垂直となっていれば、特定の波長で高い強度を示す、より単色のテラヘルツ波を得ることができる。

　超伝導体は、１つである必要はない。例えば、図４は、本発明の他の態様に係るテラヘルツ波発振素子の斜視模式図である。図４に示すテラヘルツ波発振素子２０は、２つの電極２２の間に、複数の超伝導体２１が配置されている。ここで、それぞれの超伝導体２１は、電圧が印加される方向を同一にして配置されている。
　超電導体２１が複数あると、テラヘルツ波の発振源が複数となるため、テラヘルツ波の発振強度を高めることができる。

　また超伝導体２１が、所定の間隔で規則的に並置されていることがより好ましい。超伝導体２１を所定の間隔で規則的に並置すると、複数の超伝導体２１が協調して動作することができ、テラヘルツ波の発振強度を飛躍的に高めることができる。

　このとき得られる発振強度は、複数の超伝導体２１の協調動作に影響を受ける。そのため、超伝導体２１の個数の２乗に比例する。また一つの超伝導体２１内に積層されたジョセフソン接合同士も同様に協調動作するため、発振強度は積層数の２乗にも比例する。すなわち、Ｍ層積層されて形成された単結晶が、Ｎ個所定の間隔で並置されていると、Ｍ^２×Ｎ^２の発振強度を実現することができ、極めて強いテラヘルツ波の発振を実現することができる。所定の間隔は、それぞれの超伝導体２１が共振する間隔であり、発振する周波数から算出される。

　このような複数配列は、従来のテラヘルツ帯域電磁波発振素子５０でも原理的には実現可能である。しかしながら、従来のテラヘルツ帯域電磁波発振素子５０では、それぞれの超伝導体での発熱による温度上昇が非常に大きく、超伝導体同士により熱的な相互干渉が生じたり、各超伝導体に印加される電圧が減少する等の問題が発現する。そのため、現実に実現することは難しい。これに対し、超伝導体２１を単独で用いることで、超伝導体２１の集積密度を高めることができる。すなわち、協調動作によるテラヘルツ波の発振をより高強度とすることができる。

　図４では、２つの電極２２の間に、複数の超伝導体２１を配置したが、この場合に限られない。超伝導体２１のそれぞれに電極を接続してもよい。ただし、素子構造を簡素化する点からは、図４の構成であることが好ましい。

　図１に戻り、電極２は、超伝導体１の両端面に接続される。超伝導体１は円板状であるため、両端面とは平面視円形の２つの端面を意味する。すなわち、電極２は、多重ジョセフソン接合を有する超伝導体１の積層面と垂直な方向に存在する。

　電極２は、超伝導体１の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有することが好ましい。電極２がある程度の厚さを有する場合、電極２は超伝導体１の排熱に大きく寄与する。そのため、電極２の熱伝導率を、超伝導体１よりも高くすることで、超伝導体１が高温になることを抑制できる。電極２が非常に薄い場合、電極２は超伝導体１の排熱に大きく寄与することはないが、排熱の観点から超伝導体１の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有していることが適切である。

　電極２は、高い導電性を有することが好ましい。高い熱伝導率及び高い導電性を有する材料としては、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。

　電極２は超伝導体１に接続されていればよく、その形状は問わず、使用の態様に合せて適宜変更することができる。超伝導体１自体は、ジョセフソン電流によって電荷を運ぶことができるため、いずれかで接点を有していれば、超伝導体１に電圧を印加することができる。

　ジョセフソン接合の積層面に均一に電圧を印加させる観点からは、電極２は超伝導体１の端面全面に形成されていることが好ましい。一方、電極２が金属からなる場合は、電極２はテラヘルツ波を完全反射する。そのため、電極がテラヘルツ波の放射を阻害しない様に、電極２は超伝導体１の一部に形成されていてもよい。

　また図５に示すように、電極３２をホーンアンテナ状に加工してもよい。図５は、電極３２をホーンアンテナ状に加工したテラヘルツ帯域電磁波発振素子３０の断面模式図である。ここで、ホーンアンテナ状とは、電極３２と超伝導体３１が接合していない非接合部分において、電極３２間の距離が超伝導体３１から離れるに従い広くなる構造を意味する。換言すると、テラヘルツ波の発振源から波が徐々に広がるように形成された構造である。図５では、超伝導体３１に対して上方の電極３２を加工したが、下方の電極３２にも同様な加工を施してもよい。

　電極３２をこのような形状に加工することで、電極３２間につくられる空間と自由空間とのインピーダンスの整合性が高まる。そのため、開口端における電磁波の反射が抑制され、かつ高い指向性が付与される。つまり、効率的に発生したテラヘルツ波を取り出すことができる。

　電極の構造はホーンアンテナ状には限らない。例えば、曲面側が超伝導体と接合された半球レンズ状でもよい。半球レンズ状とは、必ずしも「半球」には限られず、電極と超伝導体が接合していない非接合部分において、電極間の距離が超伝導体から離れるに従い広くなるような曲面が形成されていればよい。電極を半球レンズ状に加工することで、発生する熱を効率的に排熱すると共に、電波を効率的に集光することができる。またホーンアンテナ状に加工した場合と同様に、インピーダンスの整合性が高まる。

　電極２は、超伝導体１に対して、半田、銀ペースト等、従来公知の方法で接合できる。また電極２が薄い場合は、超伝導体１に金属膜を被覆し、この金属膜を電極として用いてもよい。

　図６に示すように、電極２のいずれかを支持する基板３を設けてもよい。図６は、本発明の他の態様に係るテラヘルツ帯域電磁波発振素子４０の斜視模式図である。超伝導体１は、極めて薄い。電極２はその態様により厚みが異なるが、電極２をスパッタ等で形成した場合は、その厚みは極めて薄くなる。そのため、電極２が薄い場合、電極２及び超伝導体１を支持する基板３を設けることで、テラヘルツ帯域電磁波発振素子４０のハンドリング性を高めることができる。
　基板３は、上述のようなホーンアンテナ状、半球レンズ状に加工してもよい。基板３をこのように加工することで、発生する熱の排熱性、電波の集光性、インピーダンスの整合性が高まる。

　基板３は、電極２を介して超伝導体１に接続されているため、超伝導体１より熱伝導率が高いことが好ましい。基板３にはサファイア、ダイヤモンドまたは銅、あるいはそれらと同等以上に排熱効果の高い他のもの等を用いることが好ましい。これらの物質は、テラヘルツ帯域電磁波発振素子が駆動する窒素の沸点付近の温度において、高い熱伝導性を示す。そのため、超伝導体１の排熱を基板３側から効率的にサポートできる。

　上述のように、本発明のテラヘルツ帯域電磁波発振素子は、単独かつ円板状の超伝導体を用いることで、２ＴＨｚ以上の周波数のテラヘルツ波を発振できる。

（テラヘルツ帯域電磁波発振装置）
　図７は、本発明の一態様にかかるテラヘルツ帯域電磁波発振装置を模式的に示した斜視模式図である。本発明の一態様にかかるテラヘルツ帯域電磁波発振装置１００は、上記のテラヘルツ帯域電磁波発振素子１０，２０，３０，４０と、多重積層型ジョセフソン接合を有する超伝導体１における積層面と垂直な方向に電圧を印加する電圧印加手段１１０とを備える。テラヘルツ帯域電磁波発振素子は、図１、図４、図５、図６のいずれを用いてもよいが、以下、図１のテラヘルツ帯域電磁波発振素子１０を基に説明する。

　電圧印加手段１１０から供給された電圧は、電極２に印加される。電圧印加手段１１０は、電極２と電気的に接続されていればよく、基材３が導通を有する場合は電圧印加手段１１０と電極２との電気的な接続を、基材３を介して行ってもよい。

　電圧印加手段１１０と電極２を電気的に接続することにより超伝導体１の積層面に垂直な方向に電圧を印加することができる。超伝導体１の積層面に垂直な方向には、超伝導層１ａと絶縁層１ｂの積層構造が形成されているため、電圧が印加されることで交流ジョセフソン効果が生じる。この印加された電圧に比例する振動電流の周波数と、超伝導体１の固有振動数が一致すると積層するジョセフソン接合間で共振が生じ、振動電流が位相を揃えて（コヒーレントに）流れることで、テラヘルツ波が外部に発振される。

　またテラヘルツ帯域電磁波発振装置１００は、図視略する冷却装置をさらに備えることが好ましい。冷却装置は、テラヘルツ帯域電磁波発振素子１０を冷却できるものであれば、特に限定されない。本実施形態では、超伝導体１を効率的に冷却できるため、冷却媒体として液体ヘリウムを用いずに液体窒素とすることもできる。液体へリウムに対し、液体窒素は扱いが簡便である。そのため、冷却装置も安価で小型のものを用いることができる。

　このテラヘルツ帯域電磁波発振装置１００は、上述のテラヘルツ帯域電磁波発振素子１０を備えるため、効率的な排熱を実現することができ、２ＴＨｚ以上のテラヘルツ波を発振することができる。
　電圧印加手段１１０は特に限定されるものでなく、超伝導体１に直流を流すことができるものであればよい。

　以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

　以下、実施例により上述の実施形態の効果をより明らかなものとする。実施形態は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

　（実施例）
　直径８０μｍ、厚み約３．５μｍのＢｉ２２１２からなる円板状の超伝導体を準備した。この超伝導体に異なる３つの電圧をそれぞれ印加した。３つの電圧は、原理的に高周波数のテラヘルツ波を発振するのに十分な５Ｖ程度とした。３つの電圧は、バイアスポイントＡ，Ｂ，Ｃであり、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係である。この電圧には、接触抵抗等の種々の寄与が加わっている。また厚さ方向に積層されたジョセフソン接合の全てがこのバイアスポイントによって動作しているとは限らない。そして温度１５Ｋで得られた発振スペクトルを測定した。電圧無印加時のスペクトルをバックグラウンド（Ｂ．Ｇ．）とした。

　図８は、実施例１の発振スペクトルを示す。縦軸は測定強度を示し、横軸は波数を示す。発生したテラヘルツ波は、日本分光社製のＦＡＲＩＳ－１を用いて計測した。図８に示すように、約８０ｃｍ^－１付近にシグナルが確認される。波数を約３０倍すれば、発振する周波数に換算することができる。すなわち、このシグナルは、２．４ＴＨｚ付近を指す。このように、円板状かつ単独の超伝導体に電圧を印加すると、２．０ＴＨｚ以上でテラヘルツ波が発振することが確認できた。また印加する電圧を大きくするにつれて、ピーク位置が大きくなっている。これは式（１）の関係を示している。

　（比較例）
　比較例は、図３の構成のテラヘルツ帯域電磁波発振素子を用いて、発振スペクトルのピークを確認した。比較例と実施例の構造上の違いは、超伝導体が単独で形成されているかどうかの違いのみである。
　その結果、０．５４ＴＨｚ程度の周波数のテラヘルツ波が確認された。この際の発振出力は、マイクロワットレベル以下の弱いものであった。

１，２１…超伝導体、１ａ…超伝導層、１ｂ…絶縁層、２，２２…電極、１０，２０，３０，４０，５０…テラヘルツ帯域電磁波発振素子、５１…メサ部、５２…基板、１００…テラヘルツ帯域電磁波発振装置、１１０…電圧印加手段

Claims

　テラヘルツ帯域電磁波を発振する独立したテラヘルツ波発振部を備え、
　前記テラヘルツ波発振部は、交流ジョセフソン効果を利用して複数のジョセフソン接合が協調して振動することによりテラヘルツ帯域電磁波を発振できる多重積層型ジョセフソン接合を有し、かつ、前記多重積層型ジョセフソン接合の積層面と平行な切断面が円形である円板状の超伝導体からなる、テラヘルツ帯域電磁波発振素子。
　前記超伝導体の両端面に接続された電極をさらに備える請求項１に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子。
　前記電極のいずれかを支持する基板をさらに有し、
　前記基板の熱伝導率が、前記超伝導体の熱伝導率よりも高い請求項２に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子。
　前記基板がサファイア、ダイヤモンドまたは銅のいずれかである請求項３に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子。
　前記超伝導体が、前記電極の間に複数配置されている請求項２に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子。
　請求項２に記載のテラヘルツ帯域電磁波発振素子と、
　前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えるテラヘルツ帯域電磁波発振装置。