論文の概要: Power attenuation in millimeter-wave and terahertz superconducting rectangular waveguides: linear response, TLS loss, and Higgs-mode nonlinearity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.17000v1
• Date: Thu, 19 Feb 2026 01:49:24 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-20 15:21:28.596665
• Title: Power attenuation in millimeter-wave and terahertz superconducting rectangular waveguides: linear response, TLS loss, and Higgs-mode nonlinearity
• Title（参考訳）: ミリ波・テラヘルツ超伝導長方形導波路におけるパワー減衰--線形応答,TLS損失,ヒッグスモード非線形性
• Authors: Takayuki Kubo,
• Abstract要約: 超伝導導波路は、低温条件下でミリ波からテラヘルツ帯への超低損失伝送のための有望なプラットフォームである。 我々は,100mathrmGHz$-THz帯の超伝導長方形導波路の電力流減衰定数を$$$で評価する枠組みを開発した。 我々は、非平衡超伝導のKeldysh-Usadelフレームワーク内で最近開発された非線形応答理論を用いて、この議論を強励起状態にまで拡張する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Superconducting waveguides are a promising platform for ultralow-loss transmission in the millimeter-wave to terahertz band under cryogenic conditions, with potential applications in astronomical instrumentation and emerging quantum technologies. We develop a framework, based on microscopic superconductivity theory, to evaluate the power-flow attenuation constant $α$ of superconducting rectangular waveguides in the $100~\mathrm{GHz}$--THz range, applicable to arbitrary electronic mean free paths $\ell$ from the dirty limit $\ell\llξ_0$ to the clean limit $\ell\ggξ_0$. We also derive an analytical expression for two-level-system (TLS)-induced attenuation $α_{\rm TLS}$ in thin native oxide layers within the standard TLS model. Using this framework, we perform numerical evaluations of $α$ for representative materials over standard waveguide sizes from WR15 to WR1. In the high-frequency regime $f \gtrsim 0.5 Δ/h$, low attenuation favors the clean regime $\ell\gtrsimξ_0$, indicating that high-purity materials can achieve very low attenuation below their gap frequency. For the TLS contribution, using parameter values representative of native Nb oxides, we find that $α_{\rm TLS}$ can become relevant at sufficiently low temperatures $T/T_c\lesssim 0.1$-0.2, where quasiparticle dissipation is exponentially suppressed. Finally, we extend the discussion to the strong-excitation regime using a recently developed nonlinear-response theory within the Keldysh--Usadel framework of nonequilibrium superconductivity and show that nonlinear dissipation produces a Higgs-mode peak in $α$ near $f\simeq Δ/h$ via a Kerr-type nonlinearity of the dissipative conductivity. This peak provides a distinct hallmark of the Higgs mode that has been largely overlooked so far.
• Abstract（参考訳）: 超伝導導波路は、低温条件下でミリ波からテラヘルツ帯への超低損失伝送のための有望なプラットフォームであり、天文学的な計測や新しい量子技術にも応用できる可能性がある。 我々は,100〜\mathrm{GHz}$-THz範囲の超伝導導波路の電力-流減衰定数$α$を,汚れた極限$\ell\ll\_0$からクリーンな極限$\ell\gg\_0$まで任意の電子平均自由経路$\ell$に適用できるフレームワークを開発する。 また、標準TLSモデル内の薄いネイティブ酸化物層における2レベル系(TLS)誘起減衰$α_{\rm TLS}$の解析式も導出した。 このフレームワークを用いて,WR15からWR1までの標準導波路サイズに対して,代表材料に対する$α$の数値評価を行う。 高周波状態の $f \gtrsim 0.5 Δ/h$ では、低減衰はクリーンな状態の $\ell\gtrsim _0$ を好んでおり、高純度材料はそのギャップ周波数以下で非常に低い減衰を達成できることを示している。 TLSの寄与は、ネイティブNb酸化物を表すパラメータ値を用いて、α_{\rm TLS}$が十分に低温のT/T_c\lesssim 0.1$-0.2で相関し、準粒子の散逸が指数関数的に抑制される。 最後に、非平衡超伝導のKeldysh-Usadelフレームワーク内で最近開発された非線形応答理論を用いて、この議論を強励起系に拡張し、非平衡解離は、散逸導電率のKerr型非線形性を介して、ヒッグスモードピークが$α$近く$f\simeq Δ/h$で生成されることを示す。 このピークは、これまでほとんど見過ごされてきたヒッグスモードの明確な特徴を提供する。

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