Development of fundamental technologies for practical superconducting terahertz oscillation devices
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21K04189
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
中島 健介 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (70198084)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齊藤 敦 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (70313567)
山田 博信 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (50400411)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | 固有ジョセフソン接 / テラヘルツ波 / 超伝導 / 固有ジョセフソン接合 / テラヘルツ |
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| Outline of Research at the Start |
周波数がおおよそ100GHz～10THzの電磁波はテラヘルツ波と呼ばれ，情報通信の高速大容量化だけでなく，その物質透過性と物質弁別性を活用したX線に代わる非侵襲透過イメージング，旅客や手荷物のスクリーニング，禁止薬物や爆発物の検知，創薬や薬物の品質管理といった社会生活の安全と安心に応用できる新しい電波／光としても注目を集めている。本研究では，このようなテラヘルツ波を発振できる固体素子の一つとして期待されるビスマス系高温超伝導体固有ジョセフソン接合を用いたテラヘルツ波発振デバイスの実用化に必要な基盤技術を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、Ｂｉ２２１２高温超伝導体の超伝導臨界温度以下で動作する固有ジョセフソン接合（Intrinsic Josephson Junction:ＩＪＪ）テラヘルツ波発振デバイスを実用化する上で接合を最適な動作温度に制御する必要性から発振動作時のＩＪＪの実温度とＩＪＪから熱浴への放熱性をＩＪＪの電圧－電流特性から評価する手法を提案した。これまでの研究から、Ｂｉ２２１２‐ＩＪＪから持続したテラヘルツ波を発振させるためには、接合電圧を所望テラヘルツ波の周波数に対応する値に安定に保つ必要がある一方で、接合の電圧－電流特性を人為的に制御することの難しいＢｉ２２１２‐ＩＪＪでは、発振周波数に適した電圧－電流特性を得るための最適な接合温度が存在することが明らかになってきた。また、バルクメサ型ＩＪＪと本研究で提案している薄膜段差型／薄膜メサ型ＩＪＪの接合温度と放熱特性とを比較検討した結果、薄膜型の両者には大きな放熱性の違いは見られず、令和４年度に着手したＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ発振デバイスの一次元熱伝導はモデルを用いた熱伝導解析によっても，放熱性を妨げている要因がデバイスの基材となる材料（基板）とＢｉ－２２１２の間の接着層にあることを明らかにした。このことはメサ型であっても接着層の改善やそもそも接着層の無い薄膜メサ型によるＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ波発振デバイスが実現可能であることを示唆している。さらに熱解析によって、接着層を持たない薄膜型デバイスの優位性だけでなく、Ｂｉ－２２１２単結晶片を基材に接着する必要のあるバルクメサ型ＩＪＪであっても接着層の熱伝導性を改善することで液体窒素温度でのテラヘルツ発振動作の可能性を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ｂｉ２２１２‐ＩＪＪによる実用的なテラヘルツ波発振デバイスを実現するためには、発振動作時に接合で発生する熱と放熱を最適に制御して接合を最適な動作温度に制御することが求められる。本研究の目的の一つである接合温度の最適な制御は、提案する放熱特性の評価法を一次元熱伝導モデルによる発熱解析結果と対比することよって可能であることをこれまでに確認している。
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| Strategy for Future Research Activity |
単一のＩＪＪには，発熱と放熱のジレンマから，接合数の増加による高出力化に限界がある。そこで，基板の誘電体の効果を含めて複数のＩＪＪを準光学的に結合させた電力合成による高出力化するとともに小型パルス管冷凍機による運転が可能なＢｉ２２１２－ＩＪＪテラヘルツ波発振デバイスに必要な基盤技術を確立する。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
