Development of high power terahertz emitters by using high-Tc superconductors

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K20897
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 柏木 隆成 筑波大学, 数理物質系, 講師 (40381644)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ジョセフソン接合 / マイクロ波・テラヘルツ / 高温超伝導体 / ナノ・マイクロデバイス

Outline of Annual Research Achievements

高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+d (Bi2212)の単結晶を用いたテラヘルツ帯の発振素子の高出力化を目指し研究を行った。具体的には，自己発熱を抑制するためにメサ構造下部に超伝導基板をもたない「単独メサ構造」の作製方法の開発・改良，及び素子発熱を効率的に逃がす高排熱構造素子の開発を行い，形状・サイズの異なる素子の発振特性を詳細に理解し，高出力化に向けた発振素子の設計指針を得ることを目指した。
その結果，1. 発振出力には関しては，数十マイクロワットレベルの発振に必要な条件，2. 発振周波数については，数テラヘルツまでの発振に必要な条件に関する設計指針が得られた。
1. 発振出力には関しては，厚さの異なるメサ構造の発振特性を調べ，素子の厚さの増加とともに出力が増大することを確かめた。これは，素子に含まれる接合総数とアンテナとしてのメサ構造の放射効率が重要であることを意味している。
2. 発振周波数に関しては，素子形状の異なるメサ構造の発振特性の比較から，長方形の素子形状に比べ，円板や正方形の方が2倍程度高い発振周波数が得られた。例えば，円板の素子では0.5-2.4 THzの周波数を一つの素子から得た。これは円板や正方形の方が長方形に比べて接合あたりの印加電圧が大きいことを意味しており，実効的な素子抵抗の違いが周波数範囲の決定に重要であることを意味している。
上記の結果から， 0.3～3 THz程度の周波数領域を１つの発振素子でカバーできるサブミリワットレベルの連続波発振器の実現において重要な情報が得られたと考えている。

Research Products

• [Journal Article] The present status of high-Tc superconducting Terahertz Emitters (2017)
  • Author(s): Kashiwagi Takanari, Kubo Hiroyuki, Sakamoto Kazuki, Yuasa Takumi, Tanabe Yuuki, Watanabe Chiharu, Tanaka Taiga, Komori Yuki, Ota Ryusei, Kuwano Genki, Nakamura Kento, Katsuragawa Takuya, Tsujimoto Manabu, Yamamoto Takashi, Yoshizaki Ryozo, Minami Hidetoshi, Kadowaki Kazuo, Klemm Richard
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical potential distribution in terahertz-emitting rectangular mesa devices of high-Tc superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+d (2016)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takeo Kitamura, Yoshihiko Saiwai, Yuki Shibano, Takuya Katsuragawa, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takanari Kashiwagi, Richard A Klemm, Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: 29 Pages: 065022
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系 Bi2212 テラヘルツ発振素子の発振特性 V (2017)
  • Author(s): 柏木隆成, 田中大河, 久保裕之, 湯浅拓実, 渡辺千春, 坂本和輝, 桂川拓也, 小守優貴, 太田隆晟, 桑野玄気, 田邊祐希, 中村健人, 辻本学, 山本卓, 吉崎亮造, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス 大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 高温超伝導体 Bi2212 THz波発振素子の発熱評価に向けた研究開発 (2017)
  • Author(s): 田中 大河、柏木 隆成、渡辺 千春、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、湯浅 拓実、小守 優貴、田邊 祐希、太田 隆晟、中村 健人、桑野 玄気、山本 卓、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜， 神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ波発振デバイスのアレイの作製 (2017)
  • Author(s): 南 英俊、中村 健人、小守 優貴、渡辺 千春、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、湯浅 拓実、田中 大河、太田 隆晟、田邊 祐希、桑野 玄気、柏木 隆成、辻本 学、山本 卓、門脇 和男
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜， 神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Study of radiation intensity characteristics from Bi2Sr2CaCu2O8+δ high-Tc superconducting terahertz emitters. (2017)
  • Author(s): T. Kashiwagi, T. Yuasa, H. Kubo, K. Sakamoto, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, Y. Tanabe, R. Ota, G. Kuwano, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R. Klemm, K. Kadowaki
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz emission from pie-shaped wedge microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • Author(s): Qing Wang, Constance Doty, Richard Klemm, Kaveh Delfanazari, Daniel Cerkoney, Takashi Yamamoto, Manabu Tsujimoto, Kazuo Kadowaki, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takanari Kashiwagi, Manuel Morales
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of stripline electrodes on coherent terahertz emission from BSCCO intrinsic Josephson junctions (2017)
  • Author(s): Manabu Tsujimoto, Genki Kuwano, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takuya Katsuragawa, Taiga Tanaka, Takumi Yuasa, Yuki Komori, Ryusei Ota, Yuuki Tanabe, Kento Nakamura, Takanari Kashiwagi, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Takuji Doi, Asem Elarabi, Itsuhiro Kakeya
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cavity mode enhancement of terahertz emission from equilateral triangular microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • Author(s): Constance Doty, Daniel Cerkoney, Ashley Gramajo, Tyler Campbell, Candy Reid, Manuel Morales, Kaveh Delfanazari, Takashi Yamamoto, Manabu Tsujimoto, Takanari Kashiwagi, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Richard Klemm
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of High-Tc Superconducting Terahertz Emitter (2016)
  • Author(s): T. Kashiwagi , H. Kubo, K. Sakamoto, T. Yuasa, Y. Tanabe, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, R. Yoshizaki, H. Minami, and K. Kadowaki
  • Organizer: The 29th International Symposium on Superconductivity (ISS2016)
  • Place of Presentation: Tokyo International Forum 東京都千代田区
  • Year and Date: 2016-12-13 – 2016-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiation Characteristics of high-T c Superconducting Terahertz Emitter by Using a High Heat-Exhausting Structure (2016)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Takumi Yuasa, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto , Takuya Katsuragawa, Taiga Tanaka, Yuki Komori, Ryusei Ota, Genki Kuwano, Yuki Tanabe, Kento Nakamura, Manabu Tsujimoto, Takashi Yamamoto, Ryozo Yoshizaki, Hidetoshi Minami, R.A Klemm and Kazuo Kadowaki
  • Organizer: 10th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (Plasma+ 2016)
  • Place of Presentation: Nanjing China
  • Year and Date: 2016-10-09 – 2016-10-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振特性IV (2016)
  • Author(s): 柏木隆成, 湯浅拓実, 渡辺千春, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 田中大河, 小守優貴, 太田隆晟, 桑野玄気, 田邊祐希, 中村健人, 辻本学, 山本卓, 吉崎亮造, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス 石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] PL発光を生じる半導体薄膜による高温超伝導体THz波発振デバイスの新規温度分布観測 (2016)
  • Author(s): 渡邉千春, 南英俊, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 湯浅拓実, 田中大河, 小守優貴, 辻本学, 柏木隆成, Richard Klemm, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス 石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 高温超伝導体を用いたテラヘルツ波発振素子のウェットエッチング法による作製 (2016)
  • Author(s): 小守 優貴、柴野 雄紀、南 英俊、渡邊 千春、桂川 拓也、久保 裕之、坂本 和輝、田中 大河、湯浅 拓実、中村 健人、太田 隆晟、桑野 玄気、田邊 祐希、柏木 隆成、辻本 学、門脇 和男
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ，新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いたTHz波発振素子における発振強度の厚さ依存性に関する研究 (2016)
  • Author(s): 湯浅 拓実、柏木 隆成、渡邊 千春、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、小守 優貴、田中 大河、太田 隆晟、桑野 玄気、田邊 祐希、中村 健人、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ，新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 円盤型単独メサ構造を用いたBi2Sr2CaCu2O8+δ固有ジョセフソン接合によるTHz発振素子の開発II (2016)
  • Author(s): 坂本 和輝、柏木 隆成、久保 裕之、渡辺 千春、桂川 拓也、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、大田 隆晟、桑野 玄気、田辺 祐希、中村 健人、山本 卓、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ，新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16