高温超伝導体テラヘルツ波発振器の外場制御と協調動作よる高出力化

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K05018
• 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): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 銅酸化物高温超伝導体 / 固有ジョセフソン接合 / テラヘルツ波

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi2212)単結晶を用いたテラヘルツ波発振器(Bi2212-THz波発振器)の出力の向上に向けた開発を行っている。本年度は，主に以下の2つについて重点的に取り組んだ。これらは，当初研究計画を進める上で欠かすことができないプロセスである。
１つ目は，素子発振特性の安定化を目指した素子構造の改良を行った。具体的には，我々の発振素子では，Bi2212単結晶のチップ構造（単独メサ構造）を使用する。そしてBi2212-THz波発振器を製作するには，この単独メサ構造を２つの電極間に機械的に固定する必要がある。この単独メサ構造の固定の安定性が，素子の発振特性に影響する。そこで素子の周辺構造を改良し，単独メサ構造をより安定的に保持する素子構造を開発した。その結果，従来に比べ素子特性が安定化し，これまで以上に発振特性の個体差が小さくなった。
2つ目は，メサ構造の表面温度を簡便に測定する手法を新たに開発・導入した。これまでの研究から，Bi2212-THz波発振器の動作時には，直流電流の印加によるジュール熱のため，Bi2212メサ構造に温度分布が生じ，それが発振特性に影響を与えることが分かっている。そのため，この発熱特性を考慮した素子設計が必要である。これまでは，メサ構造表面にSiC微粒子などを塗布し，その発光強度の温度依存性などを利用することで発熱特性を評価してきた。ここで新たに開発した手法では，メサ構造上部の金属電極の反射率の温度変化を観測する手法である。そのため，従来手法のような微粒子の塗布などの下処理を必要としないため，製作した発振素子の温度分布測定が，これまで以上に簡便に行えるようになった。
上記の成果は，学術論文や学会（日本物理学会, 応用物理学会, アメリカ物理学会）等で適宜報告を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は，当初の研究計画の実現性を高めるために，素子特性の安定化と新しい温度評価方法を開発した。これにより，これまで以上に素子制御に関する知見が得られたので，これを今後の研究に活かせると考えている。そのため当初計画を若干修正することで，当初計画の目標に近づくことができると考えている。

Strategy for Future Research Activity

本年度の成果をベースに，当初計画を若干修正しながら，研究を進める。

Causes of Carryover

本年度は当初計画より旅費の支出を抑えることができたため差額が生じた。次年度はこの部分を夏に開催される国際会議の参加費にあてる予定である。

Research Products

• [Journal Article] The present status of high-Tc superconducting terahertz emitters (2017)
  • Author(s): T. Kashiwagi, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Yuasa, Y. Tanabe, C. Watanabe, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, T. Katsuragawa, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, R. Yoshizaki, H. Minami, K. Kadowaki and R. A. Klemm
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: 30 Pages: 074008
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermoreflectance microscopy measurements of the Joule heating characteristics of high- Tc superconducting terahertz emitters (2017)
  • Author(s): T. Kashiwagi, T. Tanaka, C. Watanabe, H. Kubo, Y. Komori, T. Yuasa, Y. Tanabe, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, M. Tsujimoto, H. Minami, T. Yamamoto, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 122 Pages: 233902
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5002743
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] サーモリフレクタンス法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特性評価 (2018)
  • Author(s): 柏木隆成, 田中大河, 渡辺千春, 小守優貴, 田邊祐希, 湯浅拓実, 太田隆晟, 桑野玄気, 中村健人, 今井貴之, 大野雪乃, 金子陽太, 辻本学, 山本卓, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Study of Joule heating characteristics of Bi2Sr2CaCu2O8+δ high-Tc superconducting terahertz emitters (2018)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Taiga Tanaka, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Yuki Komori, Takumi Yuasa, Yuki Tanabe, Ryusei Ota, Genki Kuwano, Kento Nakamura, Manabu Tsujimoto, Hidetoshi Minami, Takashi Yamamoto, Richard Klemm, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: APS March meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振周波数特性について (2018)
  • Author(s): 柏木隆成, 湯浅拓実, 田中大河, 小守優貴, 田邊祐希, 太田隆晟, 桑野玄気, 中村健人, 今井貴之, 大野雪乃, 辻本学, 山本卓A, 吉崎亮造, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Terahertz emission from the intrinsic Josephson junctions of high-symmetry thermally-managed Bi2Sr2CaCu2O8+δ microstrip antennas (2018)
  • Author(s): Richard Klemm, Andrew Davis, Qing Wang, Takashi Yamamoto, Daniel Cerkoney, Candy Reid, Maximiliaan Koopman, Hidetoshi Minami, Takanari Kashiwagi, Joseph Rain, Constance Doty, Michael Sedlack, Manuel Morales, Chiharu Watanabe, Manabu Tsujimoto, Kaveh Delfanazari, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: APS March meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Linewidth Dependence of Coherent Terahertz Waves Emitted from a Stack of Intrinsic Josephson Junctions in BSCCO (2018)
  • Author(s): Genki Kuwano, Takanari Kashiwagi, Yota Kaneko, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Yilmaz Simsek, Wai-Kwong Kwok, Ulrich Welp, Richard Klemm, Manabu Tsujimoto
  • Organizer: APS March meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高温超伝導体テラヘルツ光源と結合する開放型平面アンテナ素子の開発 (2018)
  • Author(s): 金子 陽太、桑野 玄気、鍾 俊蘭、小守 優黄、田中 大河、湯浅 拓実、太田 隆晟、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、南 英俊、柏木 隆成、門脇 和男、辻本 学
  • Organizer: 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ波発振素子アレイの研究 (2018)
  • Author(s): 南 英俊、村山 一哉、小守 優貴、中村 健人、大野 雪乃、湯浅 拓実、田中 大河、田邊 祐希、今井 貴之、太田 隆晟、桑野 玄気、金子 陽太、鍾 俊蘭、柏木 隆成、辻本 学、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合列の位相同期現象におけるメサ断面形状効果 (2018)
  • Author(s): 桑野 玄気、金子 陽太、小守 優貴、田中 大河、湯浅 拓実、太田 隆晟、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、鍾 俊蘭、柏木 隆成、南 英俊、門脇 和男、辻本 学
  • Organizer: 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いたTHz波発振素子の発振強度に関する研究 (2017)
  • Author(s): 湯浅 拓実、柏木 隆成、小守 優貴、田中 大河、太田 隆晟、桑野 玄気、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、金子 陽太、鍾 俊蘭、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いた円盤型テラヘルツ波発振素子のウエットエッチング法による作製と評価 (2017)
  • Author(s): 田邊 祐希、柏木 隆成、小守 優貴、今井 貴之、鍾 俊蘭、湯浅 拓実、田中 大河、太田 隆晟、桑野 玄気、中村 健人、大野 雪乃、金子 陽太、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会 秋季学術講演会
• [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 Ⅱ (2017)
  • Author(s): 小守 優貴、南 英俊、田邊 祐希、今井 貴之、湯浅 拓実、田中 大河、中村 健人、太田 隆晟、桑野 玄気、大野 雪乃、金子 陽太、鍾 俊蘭、柏木 隆成、辻本 学、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合系テラヘルツ発振デバイスの線幅評価 (2017)
  • Author(s): 桑野 玄気、柏木 隆成、辻本 学、金子 陽太、鍾 俊蘭、小守 優貴、田中 大河、湯浅 拓実、太田 隆晟、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体 Bi2212 THz 波発振素子の発熱評価と発振特性 (2017)
  • Author(s): 田中 大河1、柏木 隆成、小守 優貴、湯浅 拓実、田邊 祐希、中村 健人、太田 隆晟、桑野 玄気、今井 貴之、大野 雪乃、金子 陽太、鍾 俊蘭、山本 卓、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ発振デバイスの実用化と将来展望 (2017)
  • Author(s): 門脇 和男、Asem Elarabi、Zhong Junlan、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、太田 隆晟、桑野 元気、田邊 祐希、中村 健人、大野 雪乃、金子 陽太、辻本 学、柏木 隆成、南 英俊、山本 卓、Delfanazari Kaveh、Klemm Richard
  • Organizer: 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] Device characteristics of high-Tc superconducting intrinsic Josephson junction terahertz emitters (2017)
  • Author(s): T. Kashiwagi , T. Yuasa, Y. Tanabe, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, C. Watanabe, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, R. Yoshizaki, H. Minami, R. Klemm, K. Kadowaki
  • Organizer: 28th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振方法，テラヘルツ帯域電磁波発振素子の発振装置及び分光器 (2018)
  • Inventor(s): 柏木隆成, 南英俊，門脇和男
  • Industrial Property Rights Holder: 柏木隆成, 南英俊，門脇和男
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2018-032280
• [Patent(Industrial Property Rights)] ボゾンピークの測定値に基づいて、物質の結晶化度及び/又は密度を測定する方法及び測定装置 (2017)
  • Inventor(s): 森龍也，柏木隆成
  • Industrial Property Rights Holder: 森龍也，柏木隆成
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-227977