表面バリア制御を利用した超伝導ダイオード基盤技術の開発

• Project/Area Number: 23K22792
• Project/Area Number (Other): 22H01522 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 土屋 雄司 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50736080)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2025: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
• Keywords: 超伝導 / 高温超伝導体 / 超伝導ダイオード / 近接効果 / 整流 / 超伝導体 / ダイオード / 非相反伝導 / 磁束ピンニング / 高温超伝導 / 磁束量子 / 渦糸

Outline of Research at the Start

本研究では、超伝導ダイオードを創出し整流効果の起源である表面バリアを制御することを目的とする。背景として抜本的な省エネルギーを実 現する超伝導電力機器の開発に向けて低消費電力で整流動作する超伝導ダイオードの開発が期待される。その軸として、申請者らが開発した超伝導ダイオード特性について、整流効果の起源である表面バリアを制御することでダイオード特性を向上する。計画している研究項目は、(A) 格子不整合による表面バリア低減、(B)近接効果による表面バリア低減、(C)磁気接合による表面バリア低減の3つである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、超伝導ダイオードを創出し整流効果の起源である表面バリアを制御することを目的とする。背景として抜本的な省エネルギーを実現する超伝導電力 機器の開発に向けて低消費電力で整流動作する超伝導ダイオードの開発が期待される。その軸として、申請者らが開発した超伝導ダイオード特性について、整流 効果の起源である表面バリアを制御することでダイオード特性を向上する。
本年度は、表面バリア制御による超伝導ダイオード特性の向上を行なった。スパッタリングを用いて10-1000 nm膜厚の金属蒸着を行い、超伝導-金属2層構造を作製した。金属薄膜の成膜によっ て、臨界電流非対称性は正に変化した。これは、超伝導-金属薄膜界面における表面バリアが増強されたことを示唆している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、(A)格子不整合による表面バリア低減、(B)近接効果による表面バリア低減、(C)磁気接合による表面バリア低減の3項目の実施を予定している。
本年度は昨年度に引き続き項目(B)について研究を実施した。高温超伝導薄膜に対してスパッタリングを用いて10-1000 nm膜厚の金属蒸着を行い、超伝導-金属2層構造を作製し、その超伝導ダイオード特性を評価した。金属薄膜の成膜によって、臨界電流非対称性は正に変化した。これは、超伝導- 金属薄膜界面における表面バリアが増強されたことを示唆している。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、(A)格子不整合による表面バリア低減、(B)近接効果による表面バリア低減、(C)磁気接合による表面バリア低減の3項目の実施を予定している。来年度は、項目(C)について研究を実施する予定である。スパッタリング装置を用いて強磁性材料を蒸着することにより、表面バリアの制御を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Conceptual Design of a 33 T Cryogen-Free Magnet REBCO Insert: Mechanical Aspects and Protection Against Thermal Runaway (2024)
  • Author(s): Badel Arnaud、Takahashi Kohki、Zampa Alexndre、Okada Tatsunori、Tsuchiya Yuji、Awaji Satoshi、Uto Tatsuro、Tosaka Taizo、Takewa Hiroyuki、Nezuka Hayato、Hanai Satoshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3367620
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single Crystal Growth and Transport Properties of van der Waals Materials ABTe4 (A/B = Ti, Zr, Hf) (2024)
  • Author(s): Hasuo Yuto、Urata Takahiro、Araidai Masaaki、Tsuchiya Yuji、Awaji Satoshi、Ikuta Hiroshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 93 Issue: 1 Pages: 014705-014705
  • DOI: 10.7566/jpsj.93.014705
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Seven-Year Operation of 25 T Cryogen-Free Superconducting Magnet as a User Magnet at HFLSM, IMR, Tohoku University (2024)
  • Author(s): Takahashi K.、Okada T.、Tsuchiya Y.、Awaji S.、Takewa H.、Hanai S.、Ioka S.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2024.3350566
• [Journal Article] Screening and Coupling Currents Induced Fields on a Large-Scale Prototype REBCO Insulated Coil (2024)
  • Author(s): Zampa A.、Takahashi K.、Tsuchiya Y.、Okada T.、Awaji S.、Uto T.、Takewa H.、Hanai S.、Ioka S.、Inagaki J.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3337060
• [Journal Article] Characterization of In-field Critical Currents in REBCO Tapes over Wide Temperature Range by Pulsed Current Source with Supercapacitor (2023)
  • Author(s): Y. Tsuchiya,K. Mizuno,Y. Kohama,A. Zampa,T. Okada,S. Awaji
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3343670
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interpretation of time-dependent current and resistance of HTS closed loop with superconducting joint considering flux creep (2023)
  • Author(s): Takeda Yasuaki、Tsuchiya Yuji、Nishijima Gen
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 9 Pages: 093002-093002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acf7a9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Critical Current Measurements of HTS Tapes Using Pulsed Current in High Fields at Low Temperatures (2023)
  • Author(s): Y. Tsuchiya,I. Sakai,K. Mizuno,Y. Kohama,Y. Yoshida,S. Awaji
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3261265
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Relaxation in Commercial REBCO Tapes With and Without Artificial Pinning Centers (2022)
  • Author(s): Tsuchiya Y.、Funaki S.、Ozaki T.、Kiuchi M.、Yoshida Y.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 32 Issue: 6 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2022.3171190
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MgB2 Thin Films Fabricated by Pulsed Laser Deposition Using Nd:YAG Laser in an In Situ Two-Step Process (2022)
  • Author(s): Ozaki Toshinori、Kikukawa Satoshi、Tanaka Rika、Yamamoto Akiyasu、Tsuruta Akihiro、Tsuchiya Yuji
  • Journal Title: Condensed Matter Volume: 7 Issue: 3 Pages: 48-48
  • DOI: 10.3390/condmat7030048
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel Superconducting Devices for Wireless Power Transmission Systems Development of Superconducting Diodes (2022)
  • Author(s): Yuji TSUCHIYA、Toshinori OZAKI、Akihiro TSURUTA
  • Journal Title: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan) Volume: 57 Issue: 6 Pages: 349-361
  • DOI: 10.2221/jcsj.57.349
  • ISSN: 0389-2441, 1880-0408
• [Journal Article] Fabrication of MgB₂ Thin Films Using Nd:YAG-PLD Method in an <i>in-situ</i> Post-annealing Process (2022)
  • Author(s): Toshinori OZAKI、Satoshi KIKUKAWA、Akihiro TSURUTA、Yuji TSUCHIYA
  • Journal Title: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan) Volume: 57 Issue: 6 Pages: 362-367
  • DOI: 10.2221/jcsj.57.362
  • ISSN: 0389-2441, 1880-0408
• [Journal Article] Development of Superconducting Thin Film Surface Treatment Process to Improve Critical Current Asymmetricity (2022)
  • Author(s): Akihiro TSURUTA、Toshinori OZAKI、Yuji TSUCHIYA
  • Journal Title: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan) Volume: 57 Issue: 6 Pages: 368-374
  • DOI: 10.2221/jcsj.57.368
  • ISSN: 0389-2441, 1880-0408
• [Presentation] REBa2Cu3Oy高温超伝導ダイオードにおける表面バリアの定量的評価 (2024)
  • Author(s): 土屋 雄司,水野 彰人,鶴田 彰宏,尾崎 壽紀,吉田 隆,淡路 智
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Rectification of Microwave Signals using High-Temperature Superconducting Diodes (2023)
  • Author(s): Y.Tsuchiya,A.Mizuno,A.Tsuruta,T.Ozaki,Y.Yoshida,S.Awaji
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 強磁場超伝導マグネット開発に向けた高温超伝導材料特性評価 (2023)
  • Author(s): 土屋雄司
  • Organizer: 強磁場科学研究会
• [Presentation] HTS線材のIc測定に向けたスーパーキャパシタを用いた2 kAパルス電源の開発 (2023)
  • Author(s): 土屋雄司,水野謙一郎,小濱芳允,淡路智
  • Organizer: 第106回 低温工学・超電導学会研究発表会
• [Presentation] Rectification of RF signals using REBCO high-temperature superconducting diodes (2023)
  • Author(s): Y.Tsuchiya,A.Mizuno,A.Tsuruta,T.Ozaki,Y.Yoshida,S.Awaji
  • Organizer: The 36th International Symposium on Superconductivity (ISS2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ic measurement of REBCO tapes above 1 kA by pulsed current in high field superconducting magnets (2023)
  • Author(s): YujiTsuchiya,KenichiroMizuno,YoshimitsuKohama,AlexandreZampa,TatsunoriOkada,SatoshiAwaji
  • Organizer: 28th International Conference on Magnet Technology (MT-28)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting diode using REBCO film with differential surface barrier (2023)
  • Author(s): 土屋雄司,水野彰人,鶴田彰宏,尾崎壽紀,一瀬中,吉田隆,淡路智
  • Organizer: 16th European Conference on Applied Superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] パルス電流の波形制御と超伝導特性測定の展望 (2023)
  • Author(s): 土屋雄司
  • Organizer: ロングパルス磁場勉強会
  • Invited
• [Presentation] パルス電流によるREBCO線材のIc測定に向けた電流振動の抑制 (2023)
  • Author(s): 土屋雄司,坂井厳,小濱芳允,吉田隆
  • Organizer: 第105回 低温工学・超電導学会研究発表会
• [Presentation] 1kA級パルス電流を用いたREBCO線材におけるIcの磁場・温度依存性の測定 (2023)
  • Author(s): 土屋雄司,水野謙一郎,小濱芳允,AlexandreZampa,岡田 達典,淡路智
  • Organizer: 第105回 低温工学・超電導学会研究発表会
• [Presentation] Recent activities on characterization of superconducting wires at HFLSM (2023)
  • Author(s): Yuji Tsuchiya
  • Organizer: 日仏強磁場ワークショップ
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高温超伝導ダイオードにおけるTc近傍での整流効果 (2023)
  • Author(s): 土屋 雄司、鶴田 彰宏、尾崎 壽紀、吉田 隆, 岡田 達典, 淡路 智
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Rectification of Microwave Signals using High-Temperature Superconducting Diodes (2023)
  • Author(s): Y. Tsuchiya
  • Organizer: EASSE2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] パルス電流を用いた高温超伝導線材における強磁場中臨界電流の測定 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司, 水野 謙一郎, 坂井 厳, 吉田 隆, 小濱 芳允, 淡路 智
  • Organizer: 2022年度春季低温工学・超電導学会
• [Presentation] 高温超伝導ダイオードを用いたマイクロ波信号の整流 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司、水野彰人、鶴田 彰宏、尾崎 壽紀、吉田 隆
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Pulsed Current Measurements of High-Temperature Superconducting Wires at High-Fields and Low-Temperatures (2022)
  • Author(s): Yuji Tsuchiya, Itsuki Sakai, Kenichiro Mizuno, Yoshimitsu Kohama, Yutaka Yoshida, Satoshi Awaji
  • Organizer: ASC2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 定常および準定常強磁場中での高温超伝導体におけるパルス電流を用いた臨界電流輸送測定 (2022)
  • Author(s): 土屋雄司，小濱 芳允, 水野 謙一郎, 坂井 厳, 神田 朋希, 岡田 達典, 吉田 隆, 淡路 智
  • Organizer: 強磁場科学研究会／強磁場フォーラム2022
• [Presentation] 高温超伝導薄膜における超伝導ダイオード効果 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司
  • Organizer: 第143回金属材料研究所講演会
  • Invited
• [Presentation] パルス磁場およびパルス電流を用いたREBCO線材の液体窒素温度における磁場中臨界電流評価 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司, 小濱 芳允, 神田 朋希, 水野 謙一郎, 坂井 厳, 吉田 隆
  • Organizer: 第104回低温工学・超電導学会 研究発表会
• [Presentation] REBCO超伝導ダイオードを用いたマイクロ波信号の整流特性 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司, 水野 彰人, 鶴田 彰宏, 尾崎 壽紀, 吉田 隆
  • Organizer: 第104回低温工学・超電導学会 研究発表会
• [Presentation] 高温超伝導薄膜における超伝導ダイオード効果 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司
  • Organizer: 第28回渦糸物理ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 高温超伝導薄膜における超伝導ダイオード効果 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司
  • Organizer: ナノフロンティア材料研究会2022
  • Invited
• [Presentation] ワイヤレス電力伝送システムへ向けた 超伝導ダイオードの開発 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司
  • Organizer: 関西学院大学理工学部講演会
  • Invited
• [Presentation] 高温超伝導薄膜における超伝導ダイオード効果 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司
  • Organizer: 第7回 強磁場コラボラトリーオンラインセミナー
  • Invited
• [Presentation] REBCO超伝導ダイオードを用いた超短波交流信号の整流特性 (2022)
  • Author(s): 土屋 雄司, 水野 彰人, 鶴田 彰宏, 尾崎 壽紀, 吉田 隆
  • Organizer: 2022年度春季低温工学・超電導学会