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

2018 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: テラヘルツ波 / 固有ジョセフソン接合 / 銅酸化物高温超伝導体

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，複数の素子制御による出力向上を考慮して，次の２つのプロセスに関し重点的に研究開発を行なった。
１つ目は，前年度に続き，素子の発振特性のさらなる安定化を目指した素子構造の改良を行なった。具体的には，我々が開発する発振素子では，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更に改良し，特に素子の電気・熱的な接触不良の改善を行なった。その結果，比較的薄い単独メサ構造を用いても，安定した電気特性が得られることが分かった。現在も，引き続き改良中である。
2つ目は，発振素子の発振線幅に関する検討を行なった。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によりBi2212メサ構造に温度分布が生じ，発熱が発振特性に影響を与えることが知られている。ただ，この発熱と発振線幅がどう対応しているかの詳細な理解はまだ十分ではない。発振線幅の理解は，複数の素子の同時動作において，その発振特性を決定する重要な要素であり，これを制御することが欠かせない。本年度の研究では，単独メサ構造に含まれるジョセフソン接合の同期状況と発振線幅の間の相関を示すような結果が得られたので，現在はこの詳細を詰めているところであり，この特徴を次年度の研究へ活用する予定である。
上記研究に関する成果は，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複数動作を考慮した発振線幅に関する検証を行なった。これにより，前年度以上に素子制御に関する知見が得られたので，これを次年度の研究に活用する。そして当初計画を若干修正し，研究目標の到達を目指す。

Strategy for Future Research Activity

本年度の成果をベースに，当初計画を適宜修正しながら研究を進める。具体的には，本年度の成果である，電気・熱的な接触不良の改善を行った素子構造を用いて，当初計画で予定していた，素子のアレイ構造や，素子の外場による制御から，素子の発振性能の向上を目指す。

Causes of Carryover

予定していた旅費などの出費が抑えられたため，少額ながら次年度使用額が生じた。この分は，次年度の旅費及び消耗品の購入費に利用する。

Research Products

• [Journal Article] Attractive interaction between superconducting vortices in tilted magnetic fields (2019)
  • Author(s): Alexandre Correa, Federico Mompean, Isabel Guillamon, Edwin Herrera, Mar Garcia-Hernandez, Takashi Yamamoto, Takanari Kashiwagi, Kazuo Kadowaki, Alexander I. Buzdin, Hermann Suderow, Carmen Munuera
  • Journal Title: COMMUNICATIONS PHYSICS Volume: 2 Pages: 31
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-019-0132-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-Tc superconducting THz emitters fabricated by wet etching (2019)
  • Author(s): Yuuki Shibano, Takanari Kashiwagi, Yuki Komori, Kazuki Sakamoto, Yuki Tanabe, Takashi Yamamoto, Hidetoshi Minami, Richard A. Klemm, and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 9 Pages: 015116
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5061682
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IMPROVED EXCITATION MODE SELECTIVITY OF HIGH-Tc SUPERCONDUCTING TERAHERTZ EMITTERS (2018)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Takumi Yuasa, Yuki Tanabe, Takayuki Imai, Genki Kuwano, Ryusei Ota, Kento Nakamura, Yukino Ono, Youta Kaneko, Manabu Tsujimoto,Hidetoshi Minami, Takashi Yamamoto, Richard A. Klemm, and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 124 Pages: 033901
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5033914
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of radiation spectra of Bi2Sr2CaCu208+d high-Tc superconducting terahertz emitters (2019)
  • Author(s): T. Kashiwagi, G. Kuwano, T. Imai, S. Nakagawa, Y. Tanabe, R. Ota, K. Nakamura, Y. Ono, Y. Kaneko, S. Kusunose, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, H. Minami, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • Organizer: 11th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (Plasma 2019),
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of vertical mesa sidewalls for intense terahertz radiation from Bi-2212 intrinsic Josephson junctions (2019)
  • Author(s): M. Tsujimoto, G. Kuwano, Y. Kaneko, T. Kashiwagi, H. Minami, K. Kadowaki, Y. Simsek, U. Welp, and W-K. Kwok
  • Organizer: 11th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (Plasma 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study of radiation spectrum of Bi2Sr2CaCu2O8+d high-Tc superconducting terahertz emitters. (2019)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Genki Kuwano ,Takayuki Imai,Shungo Nakagawa ,Yuuki Tanabe ,Ryusei Ota ,Kento Nakamura ,Yukino Ono ,Youta Kaneko ,Shinji Kusunose ,Manabu Tsujimoto,Takashi Yamamoto ,Hidetoshi Minami ,Richard Klemm ,Kazuo Kadowaki
  • Organizer: APS March meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高温超伝導体固有ジョセフソン接合系におけるテラヘルツ発振現象のメサ断面形状効果II (2019)
  • Author(s): 桑野玄気, 金子陽太, 太田隆晟, 田邊祐希, 中村健人, 今井貴之, 大野雪乃, 楠瀬慎二, 中川駿吾, 南英俊, 柏木隆成, 門脇和男, 辻本学
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 高温超伝導体固有ジョセフソン接合テラヘルツ波発振素子の開発 (2019)
  • Author(s): 柏木隆成
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 高温超伝導体を用いた円盤型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手法の改善と特性評価 (2019)
  • Author(s): 田邊 祐希、柏木 隆成、今井 貴之、村山 一哉、太田 隆晟、桑野 玄気、中村 健人、大野 雪乃、金子 陽太、楠瀬 慎二、中川 駿吾、山本 卓、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 小さな接合面積のBi2212固有ジョセフソン接合系からのテラヘルツ波放射 (2019)
  • Author(s): 大野 雪乃、南 英俊、桑野 玄気、田邊 祐希、村山 一哉、楠瀬 慎二、中村 健人、太田 隆晟、今井 貴之、金子 陽太、中川 駿吾、柏木 隆成、辻本 学、門脇 和男
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Effects of cross-section profiles on synchronization of distributed intrinsic Josephson junctions in cuprate high-Tc superconductors for coherent terahertz radiation (2018)
  • Author(s): G. Kuwano, Y. Kaneko, R. Ohta, Y. Tanabe, T. Imai, Y. Ono, S. Kusunose, S. Nakagawa, T. Kashiwagi, H. Minami, K. Kadowaki, and M. Tsujimoto
  • Organizer: 12th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design and characterization of microstrip patch antennas for efficient terahertz radiation from BSCCO intrinsic Josephson junctions (2018)
  • Author(s): Y. Kaneko, G. Kuwano, T. Kashiwagi, H. Minami, K. Kadowaki, Y. Simsek, W-K. Kwok, U. Welp, and M. Tsujimoto
  • Organizer: 12th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Power enhancement of the high-Tc superconducting terahertz emitter with a modified device structure (2018)
  • Author(s): H. Minami, Y. Ono, K. Murayama, Y. Tanabe, K. Nakamura, S. Kusunose, T. Kashiwagi, M. Tsujimoto, K. Kadowaki
  • Organizer: 31st International Symposium on Superconductivity (ISS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local heating effects on the radiation intensity of high-Tc superconducting terahertz emitters (2018)
  • Author(s): K. Nakamura, H. Minami, R. Ota, K. Murayama, Y. Ono, S. Kusunose, T. Kashiwagi, M. Tsujimoto, K. Kadowaki
  • Organizer: 31st International Symposium on Superconductivity (ISS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銅酸化物高温超伝導体Bi2212のCuO2面外の乱れが輸送特性に及ぼす影響 (2018)
  • Author(s): 村山一哉，志津友幸，大槻祥馬，柏木隆成，南英俊，辻本学，門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 開放型平面アンテナと結合したBi-2212固有ジョセフソン接合からのテラヘルツ波放射 (2018)
  • Author(s): 金子陽太，桑野玄気，太田隆晟，田邊祐希，中村健人，今井貴之，大野雪乃，楠瀬慎二，中川駿吾，柏木隆成，南英俊，門脇和男，辻本学
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [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線幅について (2018)
  • Author(s): 柏木隆成，桑野玄気，田邊祐希，太田隆晟，中村健人，今井貴之，大野雪乃，金子陽太，中川駿吾，楠瀬慎二，辻本学，山本卓，南英俊，門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 高温超伝導体固有ジョセフソン接合系におけるテラヘルツ発振現象のメサ断面形状効果 (2018)
  • Author(s): 桑野玄気，金子陽太，太田隆晟，田邊祐希，中村健人，今井貴之，大野雪乃，楠瀬慎二，中川駿吾，柏木隆成，南英俊，門脇和男，辻本学
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 高温超伝導THz波発振素子の発振強度への局所加熱効果 (2018)
  • Author(s): 中村健人，南英俊，村山一哉，大野雪乃，楠瀬慎二，田邊祐希，太田隆晟，桑野玄気，今井貴之，金子陽太，中川駿吾，柏木隆成，辻本学，門脇和男
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ波発振現象への外部構造効果 (2018)
  • Author(s): 大野雪乃，南英俊，中村健人，楠瀬慎二，田邊祐希，桑野玄気，太田隆晟，今井貴之，金子陽太，中川駿吾，柏木隆成，辻本学，門脇和男
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2212を用いたTHz波発振器の高出力化に向けた取り組み (2018)
  • Author(s): 今井貴之，柏木隆成，田邊祐希，太田隆晟，桑野玄気，中村健人，大野雪乃，金子陽太，楠瀬慎二，中川駿吾，南英俊，山本卓，辻本学，門脇和男
  • Organizer: 第79回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２ (2018)
  • Author(s): 田邊祐希，柏木隆成，今井貴之，村山一哉，太田隆晟，桑野玄気，中村健人，大野雪乃，金子陽太，楠瀬慎二，中川駿吾，辻本学，山本卓，南英俊，門脇和男
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体THz波発振素子の発熱制御に向けた研究開発 (2018)
  • Author(s): 太田隆晟，柏木隆成，桑野玄気，田邊祐希，中村健人，大野雪乃，今井貴之，金子陽太，中川駿吾，楠瀬慎二，南英俊，辻本学，門脇和男
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ波発振素子の高出力化 (2018)
  • Author(s): 南英俊，大野雪乃，村山一哉，田邊祐希，中村健人，楠瀬慎二，今井貴之，太田隆晟，桑野玄気，金子陽太，中川駿吾，柏木隆成，辻本学，門脇和男
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会