2019 Fiscal Year Annual Research Report
Higher Functionalization and Application-Oriented Development of Terahertz Emission Devices Using Intrinsic Josephson Junctions
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15H01996
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
門脇 和男 筑波大学, 数理物質系(名誉教授), 名誉教授 (00272170)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南 英俊 筑波大学, 数理物質系, 講師 (00190702)
柏木 隆成 筑波大学, 数理物質系, 講師 (40381644)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 固有ジョセフソン接合 / THz発振 / ジョセフソン素子 / 高温超伝導体単結晶メサ / THz発振素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2007年に高温超伝導体Bi2212良質単結晶から作成されたメサ構造に直流電圧を印可することで強力な、しかも連続かつコヒーレントなTHz波が放出するという現象を発見した。この画期的な発見に端を発し、1.その発振現象を理解し、機構を解明すること、2.励起されるTHz波と超伝導プラズマ集団励起モードの関係を明らかにすること、3.外部共振器によるTHz波発振器の高性能化・高機能化と内部個別励起状態の研究、4.発熱による熱的な非平衡状態のTHz発振への影響の解明と窒素温度以上でのTHz発振動作を実用化レベルで実現すること、を主な研究目的として2015年4月に研究を開始した。その結果、1.THz波は高温超伝導体に内在する多数積層する固有ジョセフソン接合が交流ジョセフソン効果によってTHz帯域の電磁波を励起し、それがコヒーレントに多数位相同期することによって、積層する固有ジョセフソン接合の枚数の2乗に比例する強力な発振出力で発振するということが分かった。２．発振周波数はメサの形状によって規定される励起モードによって規定され、交流ジョセフソン効果の周波数とこの形状効果による共鳴周波数が一致することでさらに強力なTHz波として放出されること、3.したがって、外形によって決まる共振周波数を外部共振器に置き換えることで、超伝導体の持つ役割と形状効果が持つ共振器の役割を分離することで発振を制御しやすくなると期待されるが、これは最終年度までなかなか実現できなかった。しかし、外部共振器作製技術の向上に伴い、最終年度にこれを完成することができた。4,高発振出力を得るためには発熱を抑え、直流電力からTHz電磁波への変換効率を高める必要があるが、メサ内部に発生するホットスポットなどによる熱散逸の効果を抑制することで80 K、約0.05 ｍW、2.4 THzの発振素子が完成し、実用化まであと一歩に到達した。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Remarks |
現在更新中
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[Journal Article] Mesa Sidewall Effect on Coherent Terahertz Radiation Triggered by Spontaneous Synchronization of Intrinsic Josepshon Junctions in Bi2Sr2CaCu2O82020
Author(s)
G. Kuwano, M. Tsujimoto, Y. Kaneko, T. Imai, Y. Ono, S. Nakagawa, S. Kusunose, H. Minami, T. Kashiwagi, K. Kadowaki, Y. Simsek, U. Welp and W. -K. Kwok
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Journal Title
Phys. Rev. Applied
Volume: 13
Pages: 014035
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Molecular Vibration and Boson Peak Analysis of Glucose Polymers and Ester via Terahertz Spectroscopy2020
Author(s)
Junlan Zhong, Tatsuya Mori, Yasuhiro Fujii, Takanari Kashiwagi, Wakana Terao, Midori Yamashiro, Hidetoshi Minami, Manabu Tsujimoto, Teruhiko Tanaka, Hidehisa Kawashima, Junko Ito, Masashi Kijima, Masatoshi Iji, Makoto M. Watanabe and Kazuo Kadowaki
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Journal Title
Carbohydrate Polymers
Volume: 232
Pages: 115789
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Observation of a two-mode resonant state in a Bi2Sr2CaCu2O8+ mesa device for terahertz emission2019
Author(s)
T, M, Benseman, A. E. Koshelev, V. Vlasko-Vlasov, Y. Hao, U. Welp, W. -K. Kwok, B. Gross, M. Lange, D. Koelle, R. Kleiner, H. Minami, M. Tsujimoto, and K. Kadowaki
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 100
Pages: 144503
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Terahertz Radiation from the High-Tc Superconductor Intrinsic Josephson Junctions Coupled to an External Resonator2019
Author(s)
Y. Ono, H. Minami, G. Kuwano, S. Kusunose, T. Imai, Y. Kaneko, S. Nakagawa, T. Kashiwagi, M. Tsujimoto, and K. Kadowaki
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Journal Title
proceeding, IEEE
Volume: -
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] High Resolution and High Sensitivity Molecular Spectroscopy Using THz Emitters of High-Tc Superconducting Bi2212 Mesa Structures2019
Author(s)
1.K. Kadowaki, J-L. Zhong, T. Ohta, Y. Tanabe, K. Murayama, K. Nakamura, G. Kuwano, T. Imai, T. Shimizu, S. Ohtsuki, Y. Ono, S. Kusunose, S. Nakagawa, M. Tsujimoto, H. Minami, T. Kashiwagi and T. Yamamoto
Organizer
XVIIth International Workshop on Vortex Mater in Superconductors
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Development of High-Tc Superconducting THz Emitters2019
Author(s)
2.T. Kashiwagi, S. Nakagawa, T. Imai, G. Kuwano, Y. Kaneko, Y. Ono, S. Kusunose, T. Yamamoto, H. Minami, M. Tsujimoto and K. Kadowaki
Organizer
44th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves IRMMW-THz 2019
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Filling and Bridging the THz Gap Using High-Tc Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+ Intrinsic Josephson Emitters2019
Author(s)
3.Kazuo Kadowaki, Yukino Ono, Genki Kuwano, Takayuki Imai, Yota Kaneko, Shungo Nakagawa, Shinji Kusunose, Takanari Kashiwagi, Manabu Tsujimoto, Hidetoshi Minami, and Richard A. Klemm
Organizer
32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Development of High-Tc Superconducting THz Emitters2019
Author(s)
4.T. Kashiwagi, S. Nakagawa, T. Imai, G. Kuwano, Y. Kaneko, Y. Ono, S. Kusunose, T. Yamamoto, H. Minami, M. Tsujimoto, and K. Kadowaki
Organizer
Materials Research Meeting (MRM2019), Materials Innovation for Sustainable Development Goals
Int'l Joint Research / Invited
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