Neue Wege zur Untersuchung der THz-Strahlungsemission intrinsischer Josephson-Kontakte in Bi2Sr2CaCu2O8+δ und von Quantenkaskadenlasern

Abstract

Innerhalb des Frequenzbereichs der sogenannten THz-L¨ucke finden sich unter ande- rem die zwei THz-Emitter-Klassen des Quantenkaskadenlasers (QCL) und des Kuprat- Supraleiters Bi2Sr2CaCu2O8+δ (BSCCO). Zur Generierung elektromagnetischer Strah- lung unterscheiden sich beide in ihrer Funktionsweise fundamental: inmitten einer QCL- Kavit¨at beteiligen sich einzelne Elektronen an den Intersubband- ¨Uberg¨angen, die zur Emission beitragen; wohingegen der intrinsische Josephson-Effekt auf dem koh¨arenten Transport von Cooper-Paaren basiert und in einer BSCCO-Kavit¨at die Entstehung von komplexen Vortex-Dynamiken zur Folge hat und damit verkn¨upft, spezielle Moden- Konfigurationen erm¨oglicht. Die genaue r¨aumliche Verteilung der emittierten THz-Strahlung durch den r¨aumlich komplexen Stromfluss innerhalb des BSCCO-Emitters ist noch nicht gut verstanden. Das erste Ziel der vorliegenden Arbeit beinhaltete die spektrale Aufl¨osung und Ana- lyse der emittierten THz-Strahlung eines Quantenkaskadenlasers wie auch eines THz- Emitters aus BSCCO - in Verbindung mit hoch-angeregten Rydberg-Atomen, die hier- mit einen neuartigen Detektor f¨ur THz-Strahlung realisieren w¨urden. Zum Zweiten sollten sowohl das Nahfeld als auch das Fernfeld des THz-Wechselfeldes mithilfe von Josephson-Kontakten aus dem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 (YBCO) im Volumen oberhalb einer emittierenden BSCCO-Kavit¨at r¨aumlich aufgel¨ost werden, um offene Fragen bzgl. der r¨aumlichen Verteilung des elek- tromagnetischen Feldes in der N¨ahe der BSCCO-Emitter zu untersuchen. Drittens sollten umfassende Fourier-Analysen in speziellen elektrischen Konfigurationen nah-gekoppelter BSCCO-Kavit¨aten abschließend die Beobachtung von subharmonischen Signal-Anteilen erm¨oglichen. Dies k¨onnte interessant sein, um die emit- tierte THz-Strahlung von (leichter zug¨anglichen) h¨oheren Frequenzen in einen (schwerer zug¨anglichen) niederfrequenten Frequenzbereich zu transferieren. Bezogen auf den Versuch der Einkopplung eines THz-Wechselfeldes in einen atomaren Rydberg-Zustand, gelang es w¨ahrend der Experimentierphase, einen QCL zuverl¨assig im Strom-gepulsten Betrieb hinweg zu betreiben und zeitlich lange Frequenz-Scans zu reali- sieren. Mit kompakten Detektor-Klassen wie dem pyroelektrischen Detektor im Verbund mit Lock-In-Verfahren, konnte eine wesentlich leichterer Handhabung und Justage der THz-Wechselfelder erreicht werden. Im Bild des differentiellen Widerstands bestrahlter IV-Kennlinien von YBCO-Josephson- Kontakten, erreichte die Wahl geeigneter mathematischer Parameter eine zweidimensio- nale Aufl¨osung des Fernfeldes einer vermessenen BSCCO-Probe (Proof of Concept). Fourier-Laufzeit-Analysen erm¨oglichten die Korrelation m¨oglicher Nebenfrequenzen in bolometrisch-interferometrisch erhaltenen Frequenzspektren zweier nah-gekoppelter (¨uber eine Spaltbreite von 500 nm) BSCCO-Kavit¨aten einer elektrischen aktiv/passiv- Konstellation. Bestimmte Strom-und Spannungseinstellungen scheinen potentiell sub- harmonische Signalanteile und wom¨ogliche Vielfache jener, beg¨unstigt zu haben.