2015 Fiscal Year Annual Research Report
Microwave Multiplexers in Matryoshka Manner for Large-Format Superconducting Detector Arrays with Small & Simple Cryocoolers
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15H02251
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
神代 暁 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 研究グループ長 (60356962)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 文紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (10357866)
山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (00358293)
永沢 秀一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (50500584)
佐藤 昭 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (30357149)
福田 大治 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 物理計測標準研究部門, 研究グループ長 (90312991)
佐藤 泰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 分析計測標準研究部門, 主任研究員 (90357153)
大野 雅史 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90391896)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 周波数多重読出回路 / 超伝導材料・素子 / 電子デバイス・機器 / 量子エレクトロニクス / 計測工学 / 微小共振器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．二系統の室温信号処理系から成るマトリョーシカ方式の原理実証第一段階として、信号処理一系統を開発し、その基本動作確認と性能評価を行った。具体的には、チップ内の可変インダクタンス素子SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)が持つ、入力磁束に対する非線形応答の線形化と、ダイナミックレンジ（飽和電力）増大に成功した。実験結果を基に見積もられた読出回路のダイナミックレンジ1e04(=10,000)は、当面の協調動作実験の対象と目すガンマ線超伝導転移端検出器(Transition Edge Sensor; TES)のダイナミックレンジ3e03を上回った。７画素共振器の同時読出から、クロストークの定量測定法を確立し、その原因推定に着手した。得られたクロストークは、隣接共振周波数の画素が隣接ユニットに配置された場合に最大値約5e-03をとり、２ユニット離れるとその約1/3に低減した。また、隣接ユニット間の共振周波数間隔を20 MHzから140-160 MHzに増大することにより、クロストークは1/10以下に激減することがわかった。
２．TESと読出回路との協調動作実証用極低温モジュールを開発するとともに、協調動作実験に必要な絶対温度0.1 Kの環境を提供する極低温冷却系を整備し、約７時間の0.1 K保持時間を得た。
３．読出チップの低雑音動作に資する共振器Q値の向上と、多重化数増大のための臨界電流増大の双方に適した電極材料を探索し、サファイア基板上に成膜したニオブ(Nb)や窒化ニオブ(NbN)が、シリコン基板上に比べ、優れた超伝導特性（高い臨界温度と低い常伝導抵抗率）を持つことを示した。
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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
極低温チップと二系統の室温信号処理系から成るシステム開発を効率良く行うため、2015年度と16年度に一系統ずつ開発し、第一系統開発時に洗い出した問題点の対策とその効果検証を終えた後で、その知見を基に第二系統開発に従事する計画を策定した。2015年度進捗は、ほぼこの計画に沿う進捗を得た。
サファイア基板上の室温成膜Nb, NbNの臨界温度と常伝導抵抗率は、シリコン基板上の膜の物性値との間に、予想外に大きな差を示した。この成果を今後発展させるため、2016年度は、共振Q値、臨界電流、磁界侵入長等を測定し、各物性値間の関係を明らかにしつつ、本研究の目的に最適な超伝導電極形成条件を見出すとともに、読出回路を構成するに必要な積層構造のサファイア基板上形成の可否を明らかにする予定。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．第二系統の室温信号処理系を開発し、2015年度に構築した第一系統および、極低温チップ内の４画素以上の共振器と組み合わせたマトリョーシカ方式の基本動作実証に着手する。
２．１系統の室温処理系を用いる場合と比べたクロストーク増大の程度を評価し、フィルタ導入やミキサへの入力電力・局部発振電力の調整による低減効果を調べる。
３．2015年度着手した、共振Q値や二準位系雑音の基板材料依存性やNb, NbNの成膜条件依存性を系統的に調べ、最適化指針を明らかにする。
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Research Products
(10 results)
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[Presentation] マイクロ波読出しによるTES模擬信号の測定2016
Author(s)
入松川知也, 平山文紀, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 佐藤泰, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
Organizer
第63回応用物理学春季学術講演会
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[Presentation] マイクロ波SQUIDマルチプレクサのチャネル間漏話2016
Author(s)
平山文紀, 入松川知也, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
Organizer
第63回応用物理学春季学術講演会
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[Presentation] TESマイクロ波マルチプレクサの室温エレクトロニクス2015
Author(s)
平山文紀, 入松川知也, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
Organizer
第76回応用物理学秋季学術講演会
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[Presentation] TESマイクロ波線形化読出し回路の評価2015
Author(s)
入松川知也, 平山文紀, 佐々木仁, 佐藤昭, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
Organizer
第76回応用物理学秋季学術講演会
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[Presentation] TESマイクロ波読み出しにおけるランプ磁束変調を用いた入出力特性の線形化2015
Author(s)
入松川知也, 平山文紀, 佐藤昭, 佐々木仁, 山森弘毅, 永沢秀一, 福田大治, 日高睦夫, 佐藤泰, 神代暁, 大野雅史, 高橋浩之
Organizer
電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
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[Patent(Industrial Property Rights)] 周波数多重読出装置2015
Inventor(s)
神代暁,平山文紀,山森弘毅,福田大治,佐藤昭,永沢秀一,佐藤泰
Industrial Property Rights Holder
神代暁,平山文紀,山森弘毅,福田大治,佐藤昭,永沢秀一,佐藤泰
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
特願201500187
Filing Date
2015-07-07
