固有ジョセフソン効果の広領域位相同期と電磁波放射構造
| Project/Area Number |
22K04861
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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 28020:Nanostructural physics-related
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
南 英俊 筑波大学, 数理物質系, 講師 (00190702)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | ジョセフソン効果 / テラヘルツ波 / 高温超伝導 / 固有ジョセフソン接合 / 高温超伝導体 |
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| Outline of Research at the Start |
１ナノメートル程の薄い絶縁体を超伝導体で挟んだ構造をジョセフソン接合と呼ぶ。ジョセフソン接合に直流電圧を印加すると、ジョセフソン効果と呼ばれる、その電圧に比例した超高周波数の振動電流が発生する現象が起こる。絶対温度90度で超伝導状態となるBi2Sr2CaCu2O8+d結晶は、1.5 nmの周期でジョセフソン接合が積層した層状構造をしている。この研究では、電磁界シミュレーションによる素子設計によって、この物質内の多くの層と広い領域で振動電流のコヒーレンスの実現を目指す。放射するテラヘルツ波の強度をミリワット級に引き上げ、また、拡がり角度を数度以下に抑えた極めて高い指向性をもつ放射の実現を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+dはジョセフソントンネル接合が積層した構造をもつ層状物質であり、ジョセフソン効果を基本原理とする単色テラヘルツ波の放射が起こる。本研究は、この結晶の大規模なアレイ構造やフォトニック結晶の概念を応用することで、結晶内で生じる超伝導電流、常伝導電流と変位電流の集団励起であるジョセフソンプラズマの、広い領域でのコヒーレンスの実現を目指す。それによって、放射される単色テラヘルツ波を増強することを目的とする。
今年度は、これまでで最大の２４個までのメサ型素子からなるアレイ素子を作製することに成功し、さらなる大型化の足掛かりを得た。素子数が多くなると問題となるジュール発熱対策として、この研究分野では初めてとなる、パルス電圧でバイアスする測定システムを構築した。発振素子の基本特性である周波数スペクトルと放射分布をパルスバイアス下で測定できるようになった。
１４個および２４個のメサ型素子からなるアレイ素子において、要素であるメサ型素子が放射するテラヘルツ波間の周波数引き込み現象（単色化）を、新たに構築した周波数スペクトル測定システムを使って観測することに成功した。また、当初想定していなかったが、パルスバイアスによってサブテラヘルツ～テラヘルツ帯で周波数掃引が可能であることが見いだされた。パルスバイアス研究以外では、これまで我々の素子で観測されていた高い放射指向性の解明に向けて精力的に研究を行った。その結果、排熱のためにメサ構造に接触させていたアルミナ板またはサファイア板が、誘電体共振器アンテナとして動作していることを、放射分布測定実験とコンピューターシミュレーションによる研究によって突き止めた。
上記の成果は応用物理学会、低温物理国際会議などで発表し、２件のプロシーディング論文を発表した。周波数掃引については特許出願を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画にはなかったパルスバイアスでの実験研究を始めるなど研究内容に変更があったが、本研究課題の研究がおおむね順調に進んでいる上に、当初想定していなかった発見・発明もあった。パルスバイアス技術は、ジュール発熱対策として、アレイ素子のさらなる大型化、フォトニック結晶を応用する大面積化では不可欠となる技術である。
初めて２０個を超えるメサ型素子からなるアレイ素子の作製に成功し、位相同期を起こす条件について貴重な知見が得られた。したがって、当初計画した研究はおおむね順調に進んでいると判断する。加えて、パルスバイアスを使った研究によって、サブテラヘルツ～テラヘルツ帯での周波数掃引ができるという当初想定していなかった発見・発明があった。また、放射分布測定実験とコンピューターシミュレーションによって、高い放射指向性を定性的には解明することができた。したがって、総合的には「当初の計画以上に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画を進めるために、実験研究面では、さらに大規模なアレイ素子の作製を行い、メサ型素子間の位相同期について理解を深めるとともに放射の高強度化を図る。また、フォトニック結晶構造を応用した素子の作製に着手し、これまでにない機構による結晶面方向のジョセフソンプラズマのコヒーレンスの可能性を調べる。本研究課題からは外れるが、本研究課題を行う中で発見した周波数掃引の特性向上に向けて、技術開発を強力に推進する。他の助成金を申請中であり、採択されれば実用化に向けた研究も推進する。今年度得られた、周波数掃引、位相同期、高指向性の研究成果を論文としてまとめ発表する。
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Report
(1 results)
Research Products
(16 results)
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[Journal Article] Approaches to High Performance Terahertz-Waves Emitting Devices Utilizing Single Crystals of High Temperature Superconductor Bi<sub>2</sub>Sr<sub>2</sub>CaCu<sub>2</sub>O<sub>8+δ</sub>2023
Author(s)
T. Kashiwagi, G. Kuwano, S. Nakagawa, M. Nakayama, J. Kim, K. Nagayama, T. Yuhara, T. Yamaguchi, Y. Saito, S. Suzuki, S. Yamada, R. Kikuchi, M. Tsujimoto, H. Minami, K. Kadowaki
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Journal Title
IEICE Transactions on Electronics
Volume: E106.C
Issue: 6
Pages: 281-288
DOI
ISSN
0916-8524, 1745-1353
Year and Date
2023-06-01
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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