Development of high power terahertz emitters by using high-Tc superconductors

• Project/Area Number: 15K20897
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Nano/Microsystems; Optical engineering, Photon science
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: KASHIWAGI Takanari 筑波大学, 数理物質系, 講師 (40381644)
• Research Collaborator: KADOWAKI Kazuo ; MINAMI Hidetoshi ; TSUJIMOTO Manabu
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2016: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2015: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: テラヘルツ波 / 高温超伝導体 / ジョセフソン接合 / マイクロ波・テラヘルツ / ナノ・マイクロデバイス / マイクロ波・テラヘルツ波

Outline of Final Research Achievements

We have developed terahertz (THz) emitters by using single crystals of high temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d (Bi2212). In order to understand the radiation output power from Bi2212-THz emitters, we studied relationship between the thickness of Bi2212 crystals used for the emitters and the radiation output power. As a result, the radiation output power tends to increase with increasing the thickness of Bi2212 single crystals up to 5μm. This behavior seems to be understood by considering the number of Josephson junctions in the mesa structures of Bi2212 single crystals and the radiation efficiency determined by the shape and size of the mesa structures. We also improved the device structure of Bi2212-THz emitters in order to remove Joule heating generated in the device. By the reduction of Joule heating on the devices, the radiation frequencies ranging from 0.3 to 2.4 THz can be obtained by adjusting the shape and size of the mesa structures.

Research Products

• [Journal Article] The present status of high-Tc superconducting Terahertz Emitters (2017)
  • Author(s): Kashiwagi Takanari, Kubo Hiroyuki, Sakamoto Kazuki, Yuasa Takumi, Tanabe Yuuki, Watanabe Chiharu, Tanaka Taiga, Komori Yuki, Ota Ryusei, Kuwano Genki, Nakamura Kento, Katsuragawa Takuya, Tsujimoto Manabu, Yamamoto Takashi, Yoshizaki Ryozo, Minami Hidetoshi, Kadowaki Kazuo, Klemm Richard
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical potential distribution in terahertz-emitting rectangular mesa devices of high-Tc superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+d (2016)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takeo Kitamura, Yoshihiko Saiwai, Yuki Shibano, Takuya Katsuragawa, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takanari Kashiwagi, Richard A Klemm, Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: 29 Pages: 065022-065022
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Applications using high-Tc superconducting terahertz emitters (2016)
  • Author(s): K. Nakade, T. Kashiwagi, Y. Saiwai, H. Minami, T. Yamamoto, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/srep23178
  • NAID: 120007129561
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cavity mode identification for coherent terahertz emission from high-Tc superconductors (2016)
  • Author(s): M. Tsujimoto, I. Kakeya, T. Kashiwagi, H. Minami, and K. Kadowaki
  • Journal Title: Optics Express Volume: 24 Issue: 5 Pages: 4591-4599
  • DOI: 10.1364/oe.24.004591
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficient Fabrication of Intrinsic-Josephson-Junction Terahertz Oscillators with Greatly Reduced Self-Heating Effects (2015)
  • Author(s): T. Kashiwagi, T. Yamamoto, H. Minami, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, K. Delfanazari, T. Kitamura, C. Watanabe, K. Nakade, T. Yasui, K. Asanuma, Y. Saiwai, Y. Shibano, T. Enomoto, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, B. Markovic, J. Mirkovic, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 4 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.4.054018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A high-Tc intrinsic Josephson junction emitter tunable from 0.5 to 2.4 terahertz (2015)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Kazuki Sakamoto, Hiroyuki Kubo, Yuuki Shibano, Takuma Enomoto, Takeo Kitamura, Kentaro Asanuma, Takaki Yasui, Chiharu Watanabe, Kurama Nakade, Yoshihiko Saiwai, Takuya Katsuragawa, Manabu Tsujimoto, Ryozo Yoshizaki, Takashi Yamamoto, Hidetoshi Minami, Richard A. Klemm, and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 107
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系 Bi2212 テラヘルツ発振素子の発振特性 V (2017)
  • Author(s): 柏木隆成, 田中大河, 久保裕之, 湯浅拓実, 渡辺千春, 坂本和輝, 桂川拓也, 小守優貴, 太田隆晟, 桑野玄気, 田邊祐希, 中村健人, 辻本学, 山本卓, 吉崎亮造, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス 大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 高温超伝導体 Bi2212 THz波発振素子の発熱評価に向けた研究開発 (2017)
  • Author(s): 田中 大河、柏木 隆成、渡辺 千春、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、湯浅 拓実、小守 優貴、田邊 祐希、太田 隆晟、中村 健人、桑野 玄気、山本 卓、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜， 神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ波発振デバイスのアレイの作製 (2017)
  • Author(s): 南 英俊、中村 健人、小守 優貴、渡辺 千春、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、湯浅 拓実、田中 大河、太田 隆晟、田邊 祐希、桑野 玄気、柏木 隆成、辻本 学、山本 卓、門脇 和男
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜， 神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Study of radiation intensity characteristics from Bi2Sr2CaCu2O8+δ high-Tc superconducting terahertz emitters. (2017)
  • Author(s): T. Kashiwagi, T. Yuasa, H. Kubo, K. Sakamoto, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, Y. Tanabe, R. Ota, G. Kuwano, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R. Klemm, K. Kadowaki
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz emission from pie-shaped wedge microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • Author(s): Qing Wang, Constance Doty, Richard Klemm, Kaveh Delfanazari, Daniel Cerkoney, Takashi Yamamoto, Manabu Tsujimoto, Kazuo Kadowaki, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takanari Kashiwagi, Manuel Morales
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of stripline electrodes on coherent terahertz emission from BSCCO intrinsic Josephson junctions (2017)
  • Author(s): Manabu Tsujimoto, Genki Kuwano, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takuya Katsuragawa, Taiga Tanaka, Takumi Yuasa, Yuki Komori, Ryusei Ota, Yuuki Tanabe, Kento Nakamura, Takanari Kashiwagi, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Takuji Doi, Asem Elarabi, Itsuhiro Kakeya
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cavity mode enhancement of terahertz emission from equilateral triangular microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • Author(s): Constance Doty, Daniel Cerkoney, Ashley Gramajo, Tyler Campbell, Candy Reid, Manuel Morales, Kaveh Delfanazari, Takashi Yamamoto, Manabu Tsujimoto, Takanari Kashiwagi, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Richard Klemm
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of High-Tc Superconducting Terahertz Emitter (2016)
  • Author(s): T. Kashiwagi , H. Kubo, K. Sakamoto, T. Yuasa, Y. Tanabe, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, R. Yoshizaki, H. Minami, and K. Kadowaki
  • Organizer: The 29th International Symposium on Superconductivity (ISS2016)
  • Place of Presentation: Tokyo International Forum 東京都千代田区
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiation Characteristics of high-T c Superconducting Terahertz Emitter by Using a High Heat-Exhausting Structure (2016)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Takumi Yuasa, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto , Takuya Katsuragawa, Taiga Tanaka, Yuki Komori, Ryusei Ota, Genki Kuwano, Yuki Tanabe, Kento Nakamura, Manabu Tsujimoto, Takashi Yamamoto, Ryozo Yoshizaki, Hidetoshi Minami, R.A Klemm and Kazuo Kadowaki
  • Organizer: 10th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (Plasma+ 2016)
  • Place of Presentation: Nanjing China
  • Year and Date: 2016-10-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振特性IV (2016)
  • Author(s): 柏木隆成, 湯浅拓実, 渡辺千春, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 田中大河, 小守優貴, 太田隆晟, 桑野玄気, 田邊祐希, 中村健人, 辻本学, 山本卓, 吉崎亮造, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス 石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] PL発光を生じる半導体薄膜による高温超伝導体THz波発振デバイスの新規温度分布観測 (2016)
  • Author(s): 渡邉千春, 南英俊, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 湯浅拓実, 田中大河, 小守優貴, 辻本学, 柏木隆成, Richard Klemm, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス 石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 高温超伝導体を用いたテラヘルツ波発振素子のウェットエッチング法による作製 (2016)
  • Author(s): 小守 優貴、柴野 雄紀、南 英俊、渡邊 千春、桂川 拓也、久保 裕之、坂本 和輝、田中 大河、湯浅 拓実、中村 健人、太田 隆晟、桑野 玄気、田邊 祐希、柏木 隆成、辻本 学、門脇 和男
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ，新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いたTHz波発振素子における発振強度の厚さ依存性に関する研究 (2016)
  • Author(s): 湯浅 拓実、柏木 隆成、渡邊 千春、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、小守 優貴、田中 大河、太田 隆晟、桑野 玄気、田邊 祐希、中村 健人、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ，新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 円盤型単独メサ構造を用いたBi2Sr2CaCu2O8+δ固有ジョセフソン接合によるTHz発振素子の開発II (2016)
  • Author(s): 坂本 和輝、柏木 隆成、久保 裕之、渡辺 千春、桂川 拓也、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、大田 隆晟、桑野 玄気、田辺 祐希、中村 健人、山本 卓、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ，新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Stand-alone型HTS-THz波発振デバイスの作製と発振特性 (2016)
  • Author(s): 南 英俊、渡辺 千春、小守 優貴、北村 健郎、柴野 雄紀、久保 裕之、坂本 和輝、幸 良彦、桂川 拓也、柏木 隆成、山本 卓、門脇 和男
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東工大 (東京都目黒区)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 高温超伝導体単結晶Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いた正方形型単独メサ構造からの THz 波発振特性Ⅱ (2016)
  • Author(s): 久保 裕之、柏木 隆成、坂本 和輝、北村 健郎、渡邊 千春、幸 良彦、柴野 雄紀、桂川 拓也、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、榎本 拓真、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東工大 (東京都目黒区)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振特性III (2016)
  • Author(s): 柏木隆成, 北村健郎, 渡辺千春, 柴野雄紀, 幸良彦, 榎本拓真, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 湯浅拓実, 田中大河, 小守優貴, 辻本学, 山本卓, 吉崎亮造, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 (宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Bi2212高温超伝導体単独メサデバイスの温度分布測定 (2016)
  • Author(s): 渡辺千春, 南英俊, 北村健郎, 柴野雄紀, 幸良彦, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 湯浅拓実, 田中大河, 小守優貴, 柏木隆成, R. A. Klemm, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 (宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] A high Tc superconducting terahertz emitter operated from 0.5 to 2.4 THz (2016)
  • Author(s): T. Kashiwagi, K. Sakamoto, H. Kubo, Y. Shibano, T. Enomoto, T. Kitamura, , K. Asanuma, T. Yasui, C. Watanabe, K. Nakade, Y. Saiwai, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, , M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R.A. Klemm, K. Kadowaki
  • Organizer: APS March Meeting 2016
  • Place of Presentation: Baltimore (U.S.A)
  • Year and Date: 2016-03-14
• [Presentation] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振特性II (2015)
  • Author(s): 柏木隆成，北村健郎，渡辺千春，柴野雄紀，幸良彦，榎本拓真，久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 湯浅拓実, 田中大河, 辻本学，山本卓，吉崎亮造，南英俊，門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学(大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 高温超伝導帯THz波発振デバイス内に生じた電位分布が発振周波数特性に与える影響 (2015)
  • Author(s): 渡邉千春, 南英俊, 北村健郎, 榎本拓真, 幸良彦, 柴野雄紀, 桂川拓也, 久保裕之, 坂本和輝, 山本卓, 柏木隆成, R. A. Klemm, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学(大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合系Bi2Sr2CaCu2O8+δ単独メサ構造によるテラヘルツ波発振II (2015)
  • Author(s): 北村健郎, 柏木隆成, 辻本学， 渡辺千春, 柴野雄紀, 幸良彦, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 山本卓, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学(大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 高温超伝導体単結晶Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いた正方形型単独メサ構造からのTHz波発振特性 (2015)
  • Author(s): 久保 裕之、柏木 隆成、坂本 和輝、北村 健郎、渡邊 千春、幸 良彦、柴野 雄紀、桂川 拓也、榎本 拓真、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2212の新しい単独メサ構造作製法の開発 (2015)
  • Author(s): 柴野 雄紀、柏木 隆成、北村 健郎、渡辺 千春、幸 良彦、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、榎本 拓真、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2212 THz発振素子の応用化に向けた開発 (2015)
  • Author(s): 幸 良彦、柏木 隆成、中出 蔵馬、北村 健郎、渡辺 千春、柴野 雄紀、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、田中 大河、小守 優貴、湯浅 拓実、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 円盤型単独メサ構造を用いたBi2Sr2CaCu2O8+δ固有ジョセフソン接合によるTHz発振素子の開発 (2015)
  • Author(s): 坂本 和輝、柏木 隆成、久保 裕之、北村 健郎、渡邊 千春、榎本 拓真、幸 良彦、柴野 雄紀、桂川 拓也、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Remarks] 筑波大学門脇研究室HP
  • URL: http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~Kadowaki_lab/index.html