| Project/Area Number |
22K04246
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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 | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
川又 修一 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (50211868)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宍戸 寛明 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80549585)
石田 武和 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 客員教授 (00159732)
林 正彦 秋田大学, 教育文化学部, 教授 (60301040)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | 磁束分布測定 / SQUIDセンサー / プローブ顕微鏡 / 磁束ベクトル |
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| Outline of Research at the Start |
走査型SQUID顕微鏡は、超伝導体を用いた磁束センサーであるSQUID素子に接続された検出コイルを試料表面上で走査し、磁束密度分布を高感度で測定できるプローブ顕微鏡の一種である。これまでの装置では、磁束密度のz方向成分の２次元分布測定に限定されていた。
本研究では、互いに垂直方向に感度を有する３個の検出コイルを装備したSQUID素子を独自に設計・製作することで、磁束密度ベクトルx,y,z方向３成分の３次元分布を決定できる走査型３次元SQUID顕微鏡を世界で初めての計測装置として実用化する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
走査型SQUID顕微鏡は、SQUID素子に接続された検出コイルを試料表面上で走査し、磁束密度分布を高感度で測定できるプローブ顕微鏡の一種である。従来の装置では磁束密度Z方向成分の２次元分布測定に限定されていた。本研究では互いに垂直方向な３個の検出コイルを装備したSQUID素子を独自に設計・製作することで、磁束密度ベクトルX,Y,Z方向３成分の３次元分布を決定できる走査型３次元SQUID顕微鏡を立ち上げる。従来の装置では測定に大量の液体ヘリウムを消費し測定時間も限られていたが、本研究では制振対策を施したGM冷凍機を用いて長期間にわたり連続計測ができるシステムを目指している。クライオスタットは試料交換が容易になるようGM冷凍機を倒立させた設計にしている。
今回、引き続き独自に設計・製作して用意した２つの素子、すなわちXYZピックアップコイルがそれぞれ１巻コイルで構成されている素子とそれぞれが２巻コイルで構成されている素子について、クライオスタットに装着してI-VおよびV-Φ特性を測定し素子の動作確認を行った。また１巻コイルおよび２巻コイルそれぞれの素子を使用し、第２種超伝導体であるNbの薄膜を試料として磁束分布の測定を試みることにより、磁束ベクトルのXYZ３成分を同時に観測することができた。また、長期間にわたり連続計測ができるシステムであることが確認された。
一方、測定データから高解像度の磁場発生源画像を得るために、数値計算による逆問題解析処理を行うための計算プログラム開発も行っている。画像データからピックアップコイルの形状因子による効果を除いた磁場像を求めることは高解像度化における重要な問題である。引き続き、3 次元ベクトル測定を目指す３個のピックコイルによる測定に対応できるように、従来の逆変換プログラムを改良しより効率的なアルゴリズムの開発を行っている。
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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
XYZベクトル・ピックアップコイルがそれぞれ１巻コイルで構成されている素子とそれぞれが２巻コイルで構成されているいくつかの素子について、それぞれのI-VおよびΦ-V特性を測定し、素子の正常動作を確認した後、FLLモードにて超伝導体Nbの薄膜を試料として磁束分布の測定を行った。
素子基板上におけるピックアップコイルは、磁束のX、Z、Y成分用の順に配置されている。X-Z、およびZ-Yコイルの間隔は、ピックアップコイルが１巻コイルである素子では、それぞれ8および12μmであり、２巻コイルである素子では、どちらも12 μmに設計されている。これ対応してそれぞれのコイルによるNb薄膜における渦糸磁束のX、Z、Y成分観測位置がシフトしていることが確認された。また本装置はGM冷凍機を使用することで、液体ヘリウムを供給することなく長時間にわたり低温を維持できる。実際、測定に10時間以上を要するスキャンを複数回連続で実行し、9日間にわたり測定を続けることができることを確認している。
現状における課題として、測定試料とSQUID素子基板との間隔が目視できないことから、試料基板と素子基板が擦れることにより素子のピックアップコイルが破損することがあった。また、SQUID素子は大変高感度であるため、長時間測定の際には環境からのノイズによりFLLモードの動作点がジャンプすることが複数回発生する。このためさらなるノイズ対策が必要であると考えられる。
高解像度の画像を得るための数値計算による逆問題解析処理計算プログラム開発において、測定システムの格子モデル、特異点分解、およびムーア・ペンローズ擬似逆行列を使用し、悪い条件の行列を処理することにより、センサーの超伝導反磁性、センサーのサイズが有限であること、およびセンサーとサンプルの間隔に起因する画像のぼやけが減少することが示された。
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| Strategy for Future Research Activity |
走査型３次元SQUID顕微鏡の装置開発においてノイズ対策を試みる。長時間測定の際には環境からのノイズによりFLLモードの動作点がジャンプすることが複数回発生する。そこで測定試料およびセンサー部を囲んでいる熱シールドに超伝導体である鉛(厚さ1 mm)で囲む。また測定部全体を覆う真空断熱容器の外側にパーマロイの高透磁率シールドを巻くことにより磁気ノイズの低減化を目指す。（川又、石田、宍戸 担当）
測定において、測定試料とSQUID素子基板との間隔が目視できないため、試料基板と素子基板が擦れることにより素子が破損することがあった。このための対策として、水晶発振子を装着し試料基板と素子基板が接触しているかどうかを感知する機能を追加する。また測定部全体を覆う真空断熱容器に窓を設け、既設の望遠レンズを用いて試料基板および素子基板を目視できるように試みる。（川又、石田、宍戸 担当）
測定において、これまでは測定試料の高さzを固定し、xy面内での磁束分布測定を行ってきている。zを順次可変させて磁束の３次元分布を取得する。一様なNb薄膜にトラップされた量子磁束を測定することにより、SQUID素子の校正を行うとともに、独立した1本の磁束量子における磁束密度ベクトルの３次元分布データを図式化する。（川又、石田、宍戸 担当）
高解像度の磁場発生源画像を得るための数値計算による逆問題解析処理プログラム開発において、引き続き今年度購入した計算機を活用し精密化をはかる。磁束の発生源である電流分布を再構成する数値解析により、発生源である磁化、および電流分布をより精密に決定できる逆問題解決型アルゴリズムの改良を行う。さらに改善する方法として、光学顕微鏡などによる情報を含めることにより解空間の次元を削減することにより、逆変換の品質を向上させることを検討する。（林担当）
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