terahertz emission from yba2cu3o7−δ josephson junctions excited by femtosecond laser

4
Terahertz emission from YBa 2 Cu 3 O 7 d Josephson junctions excited by femtosecond laser Takahiro Yoshimura a , Toshihiko Kiwa a,b , Masayoshi Tonouchi a,b, * a Research Center for Superconductor Photonics, Osaka University, 2-1 Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japan b CREST, Japan Science and Technology Corporation JST), 2-1 Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japan Received 23 August 2000 Abstract We examine both power and bias current dependence of terahertz THz) emission properties from YBa 2 Cu 3 O 7 d YBCO) Josephson junctions. The junctions coupled to bow-tie antennas are fabricated by Ar ion milling from YBCO thin ®lms grown on MgO bicrystals. We observe the radiation at bias currents from 0 to 50 mA, laser powers from 0 to 250 mW. The radiation amplitude increases with increasing laser power, and the frequency at which the radiation has a maximum amplitude decreases with increasing laser power. These trends are observed regardless of junction voltage. The results suggest that the voltage of the Josephson junction plays a less important role in the THz radiation excited by a femtosecond laser. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PACS: 07.57.Pt; 74.25.Nf; 74.76.Bz Keywords: YBa 2 Cu 3 O 7- d ; Josephson junction; Femtosecond laser pulse; Terahertz radiation 1. Introduction Terahertz THz) emission from several materi- als excited by femtosecond laser pulses has opened a research ®eld for new optoelectronic devices. THz radiation has been originally studied using semiconductor photoconductive switches [1]. Pre- viously, we demonstrated ultrafast electromagnetic EM) pulse emission from YBa 2 Cu 3 O 7 d YBCO) thin ®lm antennas using femtosecond laser pulses [2,3]. The EM pulses also contain frequency com- ponent in the THz region. This radiation mecha- nism is attributed to the ultrafast partial super- current modulation by the laser pulses. We studied several type of THz radiation from YBCO apply- ing a bias current or a magnetic ®eld [4±9]. In the present work, we report on the observa- tion of the THz emission from a YBCO Josephson junctions excited by femtosecond laser pulses. The YBCO bow-tie antenna coupled to the Josephson junctions was applied with bias currents between 0 and 50 mA and femtosecond laser pulses with average powers between 0 and 250 mW was used. 2. Experimental 100-nm-thick YBCO thin ®lms grown epi- taxially on MgO bicrystals were patterned into a Physica C 362 2001) 329±332 www.elsevier.com/locate/physc * Corresponding author. Address: Research Center for Su- perconductor Photonics, Osaka University, 2-1 Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japan. Tel.: +81-6-6879-7981/7983; fax: +81-6-6879-7984. E-mail address: [email protected] M. Ton- ouchi). 0921-4534/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0921-453401)00698-0

Upload: takahiro-yoshimura

Post on 04-Jul-2016

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Terahertz emission from YBa2Cu3O7−δ Josephson junctions excited by femtosecond laser

��������� ���� ��� ����������� �������������� ������ �� ��������� ����

������� ������� � ������ !"� � � #����� ������� � � $

� �������� ���� ��� ����������� �������� ����� ��������� ��� ���������� ���� ����� ���� !"�� #���� ��$ %� #��� ����� �� %����&�'� ��������� (# %)� ��� ���������� ���� ����� ���� !"�� #���

%���&�� �� '�(�� �)))

��������

*� ������ ���� ��"�� ��� �� ������� ���������� � ��������� +�,�- ���� �������� ��� �����������

+����- ������� �������. ��� ������� ������� �� ��"/�� ������� ��� �������� �� '� �� ����( ��� ����

��� 0�� (��"� �� #(� �������. *� ����&� ��� ������� �� �� ������� ��� ) �� 1) �' ���� ��"�� ��� ) ��

�1) �*. ��� ������� �������� ������ "�� ������( ���� ��"�� ��� ��� ��2����� �� "��� ��� ������� �� �

������ �������� ������� "�� ������( ���� ��"��. ���� ����� ��� ����&�� ��(����� � ������� &����(�.

��� ����� �((�� ���� ��� &����(� � ��� ������� ������� ���� � �� �������� ���� � ��� �,� ������� ������ ��

� ��������� ����. � �))3 4��&�� 5����� �.6. '�� �(�� ����&��.

�*� + )�.1�.7�8 �9.�1.: 8 �9.�;.��

,��-����+ ��������� / �8 ������� �������8 <��������� ���� ����8 ��������� �������

� ���� ������

��������� +�,�- ���� ��� �&���� �����/�� ������ �� ��������� ���� ���� �� ������� ������� 0��� �� ��" ������������� ��&��.�,� ������� �� ���� ��(����� ����� ��(����������� ������������&� "���� =3>. 7��/&���� "� ����������� ����� �� ���������(����+4#- ���� ���� ��� ����������� +����-��� 0�� ������� ��( ��������� ���� ����=� �>. ��� 4# ���� ��� ������ ��2����� ���/

������ � ��� �,� ��(��. �� ������� �����/�� ��������� �� ��� ����� �� ������ ����/������� ��������� �� ��� ���� ����. *� ������&���� ���� � �,� ������� ��� ���� �����/�( � �� ������� �� � ��(���� 0��� =9?@>.

A� ��� ������ "��� "� ������ �� ��� ����&�/��� � ��� �,� ���� ��� � ���� �������������� ������ �� ��������� ���� ����. ������� ��"/�� ������� ������� �� ��� �������������� "� ������ "�� �� ������� ���"��� )��� 1) �' ��� ��������� ���� ���� "���&���(� ��"�� ���"��� ) ��� �1) �* "� ���.

� ������������

3))/��/���� ���� ��� 0�� (��"� ��/������� �� #(� ������� "��� ��������� ��� �

7���� � �;� +�))3- ��@?���

""".���&��.���B������B����

$ ����������( ������. '����C %������ ������ �� 5�/

������������ 7������ ���� D�&���� �/3 ���������

5��� ���� 1;1/)E�3 �����. ���.C FE3/;/;E�@/�@E3B�@E�8 ��C

FE3/;/;E�@/�@E9.

$����& �������+ �������G������.����/�.��.�� +#. ���/

����-.

)@�3/91�9B)3BH / �� ���� ������ � �))3 4��&�� 5����� �.6. '�� �(�� ����&��.

7AAC 5)@�3/91�9 +)3 -));@E/)

Page 2: Terahertz emission from YBa2Cu3O7−δ Josephson junctions excited by femtosecond laser

��"/�� ������� �������� ��( ������� ������/���(����� �����2�� ��� '� �� ����(. �����"/�� ������� ���� � 3) �� "�� ��� �) �����(�� ���(�. ��� (��� �������� ������ �� ��������� � ��� ���(� �������� � �������������"� � <(. 3. ��� ������ ������� � ��� �����"� �.1 �' �� �� !. <(. � ��" � ������� �/�������� � ��� �,� (�������� ��� ������������. ' ����/������ �C������ ���� �������(�� �������� ���� � E� #,� "� ��� �� (���������� ��������� ������ ���� �� ��� "�&����(��� E)) ��. ��� ���� ���� "� ������������������ �� � �,�. ' ���� "��� "� ����� 3�) �� ���/"��� �� ��� ������. <��������� ��/���� ���� "��� ����� ��� �) �� � ������� ����� ������ ��� �� ��� ������� � ��� ��"/�� ��/�����. ��� ����� "��� ������� �� � ���� 0�(��

� � �����/������ ����� �������. �� ��������� ��������� �I����� �� #(� ������������� "�� � ������� � � �� "� �������� �� ��������� � ��� �����. ��� ���� ���� "��� �/������� �� ��� ������ � ��� ������� ������� � ��� ��"/�� ������� �� ��( �� ������&� ���.�,� ������� ������ ��� ��� ������� "� ���/������ ��� ����� �� � ��� � �J/�� ��/��������� ����� ���� � ��������. *� ��� �������������&� "��� ���� � '�BK�B: ������� ��"/�����������/(��"� K�' � � ��������.��� ���� ���� "��� �&��� ��� ���� ������� ����� ���� �� � ���� ������. ��� ��������� ��((���� ��� ��������. ��� ���(����������������� "� ����/� �������� � ��� ���(����0��.

� ������� �� ���������

��� �����(���� 4# "�&� ��� � ��� �������� �� &���� ���� ��"�� ��� ������� � <(.�. ���� ��&� ��� ��� ���� ������ � � ��� ����"�� �� ��� ��(��&� ���. ��� �������� �/����� ������������ "�� ������( ���� ��"��"����� (�0���� "�&� ��� �������. K����

<(. 3. 5������� ���"�( � ��� �������� ���� ��"/��

�������.

<(. �. 5������� ��������� � ��� �,� (�������� ��� ��/

������ ����.

<(. �. �,� ���� "�&� ��� �� &���� ����/���� ��"/

��. ��� ���������� "� ��� ����� �� �� ������� � 3) �'

��� ����������� � �� !.

��) %. ��������� � �&. / ������� � 0�� (� �) 0�1200�

Page 3: Terahertz emission from YBa2Cu3O7−δ Josephson junctions excited by femtosecond laser

0� �� ��� ���&� 4# ���� ���� � ���� "��� � 3 � �� � ���� ��"�� � �1) �*. ��� &���� ������&��� ���(� �������� �� ���� �������� � �������� "� �������� � ��"/�� ������� ��������� ���� ������ ��� �������� �� ������ ��� �/����� "��� ���(���� ��� "�&� ��� � ��������. ��� ���� "��� ���� ������� ����"���� ��"�� �� ���� 3)) �* "����� � �(���������� "�� ������( ��"�� ���&� ��� &����.��� ��2����� ����������( �� ��� �������������� � <����� ���� ����� �������� ���/��� � � �� ��� ��" ��2����� �� "�� �����/�( ��"��. �� ���� ��"�� ���������� � ����,� ���� (�������� ���� �� ���� ����&�� ���� ������� ���� ������� "����� ��� ����/���.

<(. 9 ��" ���� ��"�� ���������� � ���������� �������� � � ��������� � �� ���/����. ��� �������� ������ ����������� "��������( ���� ��"��. '� ��" �� ������� ������� ��"�� �� ���� 3)) �* �� �� ! ��� ��/������ ������ � ��������� �� ��� ��"�� "������ �� �������� �� ��� ������� ��������� �����=�>. ��� ��&���� ��� ��� ����� ���������� ����� ���� ��"�� ��� ����&�� "��� �������������� �� �(� �� �������. '�����(� �������� �� 1E ! ��� ���� �� ���� �� �� ! ����������� ��� ������ ���� �� ���� ��� ������"�� ��� �� ������� ��� ���� ���(�� ���� ����

�� �� !. ���� ����������� �J��� ����� �� ��/������ �� ��� ������ � ��� ������� �I/����� �� ��� �,� "�&� � ����� ���&����=3)>. '� ������ "� ��&� �� ����� ���������� ����� ��&���� ��� ��� ����� ���������� ��������(� �������� ��"��.

��� �� ������� ���������� (&�� � <(. 1.��� �������� ������ ������������� "�� �/�����( �� ������� ��(����� � ��� �������&����(�. :����� ��� �,� ���� �������� ���2��� ���� �� ���� ��� ��� ������� �������"����� ������� �������. ��� �,� �������������� ������ �������� �� ��� ����� ����������� � ��� ����������� �� ��� ����/���/������ ���� =� ;>. ��� ��� (��� �������� "��� ������ ���� � ���� ���� � ��� ���������� ���� �� �������� ���� � ��� �,� ����/��� �������. A� ����� "��� ��� �������������� ��� �&������ �� ����"�&� ���������������� ��� � ��������( �* "�&� (��/������.

� �������

*� ����&�� ��� ��"�� ��� �� ������� ��/�������� � ��� �,� ���� �������� ���

<(. 9. L��� ��"�� ���������� � ��� ������� �������� ��

+�- �� ! ��� +�- 1E !. ��� ���������� "� ��� ����� �� ��

������� � 3) �' + - �) �' + - ��� 1) �' + -.

<(. 1. �� ������� ���������� � ��� ������� �������� ��

�� !. 7���/���� ��"�� "� 3) �*. ��� ���� ��" ���

�������?&����(� +324- ���&� �� �� !.

%. ��������� � �&. / ������� � 0�� (� �) 0�1200� ��3

Page 4: Terahertz emission from YBa2Cu3O7−δ Josephson junctions excited by femtosecond laser

���� ������� �������. ��� ������� ����/���� ������ ����������� "�� ������( ������"�� �� �� ������� ��(����� � ��� �������&����(�. ��� ���� �������� ��� ����� ������ � ��� ��� ����&�� � ���� ��� 0�����(� "����� ��� ������� �������. ��� ��/��� �((�� ���� ��� ������� ���� �� ������������ � ��� �,� ������� ������ �� ��� ����/����� ����.

�������� �������

*� ��� (���� �� �� :���� !�� ��� 7�� .#����� ,��(�� �� ���� �� �����. ��� � � +#.�.- �����"���(� ��� ������ ������ �� �K����/�/'� �� 5����0� %������ �� 7�����'��� +'- ����� (���� ��. 3)39�3)3 ��� � K����/�/'� �� 5����0� %������ +�- ����� (���� ��.3�91)39; ��� ��� #���� � 4������� 5�/���� 5���� ��� ������� �����.

����������

=3> 7.%. 5��� M.,. '���� #.�. :� A444 �. N����.

4�������. �9 +3@EE- �11.

=�> #. ,��(�� 5. ������"� �. #������ #. �������

#. ��� O. *��( !. 5��� 5. :������ '���. 7��.

L���. ;@ +3@@;- �3��.

=�> #. ������� #. ��� O. *��( !. 5��� 5. ������"�

#. ,��(�� �. #������ 5. :������ ���. �. '���.

7��. �1 +3@@;- �;�9.

=9> #. ������� #. ��� O. *��( !. 5��� :. *���

#. ,��(�� ���. �. '���. 7��. �; +3@@�- L@�.

=1> #. ��� #. ������� O. *��( !. 5��� #. ,��(�� 5.

������"� �. #������ ���. �. '���. 7��. �1 +3@@;-

L33E9.

=;> #. ������� #. ��� O. *��( !. 5��� :. *���

#. ,��(�� ���. �. '���. 7��. �1 +3@@;- L31�E.

=�> :. ����� :. *��� �. :�(���� #. �������

#. ,��(�� #. ��� !. 5��� 7���� � �@� +3@@�- ��@.

=E> #. ������� :. *��� 5. 5�� #. ,��(�� #. ���

!. 5��� 7���� � �@� +3@@�- E�.

=@> #. ������� :. *��� 5. 5�� :. ����� �. :�(�/

��� #. ,��(�� 4��. '�. A54�P@� ����� K������

�1?�E ���� 3@@� �. �9�.

=3)> #. ��� #. ������� #. ,��(�� O. *��( :.

������� !. 5��� ���. �. '���. 7��. �; +3@@�- 3@E9.

��� %. ��������� � �&. / ������� � 0�� (� �) 0�1200�