Nadprzewodniki mogą umożliwić złamanie granicy zakresu częstotliwości terahertzowych
Zakres THz widma elektromagnetycznego jest słabo wykorzystany. Urządzenia półprzewodnikowe nie są w stanie wytwarzać takich wysokich częstotliwości, a z drugiej strony zakres ten jest za niski dla laserów ciała stałego. Istnieje jednak wiele potencjalnych zastosowań dla urządzeń działających w zakresie od 0,3 do 30 THz, obejmujących takie dziedziny jak astronomia, biologia, chemia i fizyka. Ta wielorakość potencjalnych zastosowań zwróciła uwagę naukowców korzystających ze wsparcia środków unijnych. W ramach projektu THZ RADIATION (Controlling terahertz radiation using layered superconductors) dowiedli oni, że wiry Josephsona, przemieszczające się przez okresowo modulowane nadprzewodniki warstwowe, mogą generować promieniowanie THz. Złącza Josephsona, tworzone poprzez przekładanie nadprzewodników cienkimi warstwami materiału izolacyjnego, odznaczają się niezwykłymi efektami kwantowymi. W szczególności, napięcie przykładane w poprzek złącza generuje oscylujący prąd, przez co złącze emituje fotony z częstotliwością odpowiadającą przerwie energetycznej nadprzewodnika. Inaczej mówiąc, złącza Josephsona wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne. Trudno jest zsynchronizować złącza i uzyskać spójną wiązkę promieniowania, w której wszystkie długości fal znajdowałyby się w fazie. Przy pomocy zaawansowanych symulacji komputerowych uczeni zbadali wpływ uporządkowanych, niepozostających w jednej płaszczyźnie kropek magnetycznych na emitowane promieniowanie. Ustalili, że rozwiązanie tego problemu powinno być możliwe dzięki przyłożeniu zarówno prądu zmiennego (AC), jak i stałego (DC). Tak jak w przypadku lasera, kluczem do synchronizacji emisji jest zmiana przykładanego napięcia, do momentu aż emitowana częstotliwość zacznie odpowiadać częstości charakterystycznej systemu. Przy tej częstotliwości oscylacje wzbudzane przez sieć wirów w różnych warstwach znajdują się w fazie. Dokładniej mówiąc, złącza są "zachęcane" do synchronizacji, gdy ruszające się wiry tworzą prostokątną sieć. Synchronizacji faz nie można zaobserwować w przypadku nawet drobnych odchyleń systemu od ich położenia wertykalnego. Naukowcy starali się znaleźć inne warunki brzegowe i początkowe, wpływające na wspólne zachowanie się macierzy złącz Josephsona. Ich celem było zidentyfikowanie czynników zmniejszających uporządkowanie dynamiki prostokątnej sieci wirów Josephsona. Rezultaty projektu THZ RADIATION otwierają drogę do opracowania urządzeń emitujących promieniowanie THz, którego częstotliwość i moc będzie można dostrajać w szerokim zakresie. Dostępność wyższej mocy pozwoliłaby na poprawę stosunku sygnału do szumu, a tym samym uzyskanie szybszych i bardziej niezawodnych metod detekcji i obrazowania.
Słowa kluczowe
Nadprzewodniki, promieniowanie elektromagnetyczne, zakres częstotliwości THz, złącza Josephsona, THZ RADIATION, detekcja, obrazowanie
