Demonstration of multi-photon laser emission from superconducting intrinsic Josephson junctions

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高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8単結晶からなる高温超伝導テラヘルツ光源において、強力な電磁波放射をもたらす同期現象を偏波観測により明らかにした。Bi2Sr2CaCu2O8単結晶基板上に複数のメサ構造を形成し、個別メサ発振の場合と複数メサ同時発振の場合の偏光をそれぞれ観測し、同時発振状態を個別発振状態を基底とする線形結合で記述することを提案した。そこで得られる複素係数は、超伝導基板で励起されるプラズマ振動を介したメサ構造間の結合を意味し、その系統的な理解は強力な電磁波放射をもたらす同期動作を制御する結果を与える。今年度の研究では、形状の異なる複数のデバイスについて実験を行い、行列要素の系統的な変化の抽出を試みた。ここで、同時発振を記述するための基底を個別発振の最大発振強度状態に取った結果、メサ構造間の距離と複素係数の位相差の強い相関を見出した。複数の発振器同士の結合に関する本成果は、発振器と能動的共振器の結合に関する学理につながる。それとともに、テラヘルツ領域の量子もつれ光源の可能性を示唆しており、超伝導デバイス特有の効果であるともいえる。一方、受動的共振器との結合についても検討を進めた。既存の共振器に適合する形状の発振デバイスを設計・作製し、発振の検出を試みたところ、過去の研究では報告されていない特性の発振が観測された。新しい特性の発振は、従来型の発振より共振器との結合による発振特性の変化を観測することが容易と考えられるため、新しい研究方針の開拓と捉えている。