High power generation of high temperature superconducting THz emitters controlled by external fields and synchronization operations

2019 Fiscal Year Annual Research 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研究を行った。本年度は，複数素子による出力向上の実現を目指し，次の2つの点を重点的に行った。 1つ目は，複数素子の安定的動作を目指した素子構造の改良を行った。Bi2212-THz波発振器を製作するには，Bi2212単結晶のチップ構造(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。本年度はこれを，複数の単独メサ構造をアレイ状に適用できるよう改良した。具体的には，電極基板，電極用蒸着膜，電極基板間の緩衝材の導入，電極基板を支持する金具の改良等を行った。2つ目は，単独メサ構造の製作方法の改良を行った。これまでは，ドライエッチングを用いて結晶を単独メサ構造に加工してきた。しかし，最近はウエットエッチングでの加工方法を開発したので，この手法をさらに改良して，単独メサ構造が簡便に大量に作製できる技術を開発した。これらの改良により，現在では，２アレイ素子に関しては，安定的に作製と評価ができるようになった。そして，２アレイ素子において協調的動作を示唆する振る舞いも得られており，現在その再現性を確認中である。これらの研究成果は，学術論文や学会(日本物理学会, 応用物理学会, IRMMW2019)等で適宜報告を行った。
本研究期間では，当初目標の発振出力には至らなかったが，素子の作製技術が格段に向上し，これまで以上に，発振特性や電気特性の再現性の高い素子が得られるようになった。特に数年前は全く作製が困難であった，単独メサ構造のアレイ構造も簡便に作製できるようになってきた。これらの技術改善は素子性能の評価・向上において極めて重要であり，今後につながる十分な成果が得られたと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Mesa-Sidewall Effect on Coherent Terahertz Radiation via Spontaneous Synchronization of Intrinsic Josephson Junctions in Bi2Sr2CaCu2O8+ホエ (2020)
  • 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
  • Journal Title: PhySICAL REVIEW APPLIED Volume: 13 Pages: 014035-1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.014035
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular vibration and Boson peak analysis of glucose polymers and ester via terahertz spectroscopy (2020)
  • Author(s): Junlan Zhong, Tatsuya Mori, Yasuhiro Fujii, Takanari Kashiwagi, Wakana Terao, Midori Yamashiro, Hidotoshi Minami, Manabu Tsujimoto, Teruhiko Tanaka, Hidehisa Kawashima, Junko Ito, Masash Kijima, Masatoshi Iji, Makoto M. Watanabe, Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Carbohydrate Polymers Volume: 232 Pages: 115789-1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.115789
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superconducting and tetragonal-to-orthorhombic transitions in single crystals of FeSe1竏遅Tex (0 竕、 x 竕、 0.61) (2019)
  • Author(s): Kotaro Terao, Takanari Kashiwagi, Tomoyuki Shizu, Richard A. Klemm, and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 100 Pages: 224516-1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.224516
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 超伝導による連続テラヘルツ波の発振と応用 (2019)
  • Author(s): 柏木隆成，門脇和男
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 88 Pages: 725-729
• [Journal Article] Local heating effects on the radiation intensity of high-T c superconducting terahertz emitters (2019)
  • Author(s): K Nakamura, H Minami, R Ota, K Murayama, Y Ono, S Kusunose, T Kashiwagi, M Tsujimoto and K Kadowaki
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1293 Pages: 12057
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Power enhancement of the high-T c superconducting terahertz emitter with a modified device structure (2019)
  • Author(s): H Minami, Y Ono, K Murayama, Y Tanabe, K Nakamura, S Kusunose, T Kashiwagi, M Tsujimoto and K Kadowaki
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1293 Pages: 12056
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 銅酸化物高温超伝導体Bi2212のBi/Sr組成を制御した結晶の物性評価 (2019)
  • Author(s): 中川駿吾, 志津友幸, 村山一哉, 中尾裕則, 柏木隆成, 中山繭, Kim Jeonghyuk, 石田茂之, 永崎洋, 茂筑高士, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 外部共振器と結合したBi2212-THz波発振素子の高周波化 (2019)
  • Author(s): 大野 雪乃、南 英俊、桑野 玄気、楠瀬 慎二、湯原 拓也、金子 陽太、今井 貴之、中川 駿吾、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] 高温超伝導THz波発振素子の不均一動作の研究 (2019)
  • Author(s): 南 英俊、大野 雪乃、楠瀬 慎二、湯原 拓也、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: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体のデバイス利用に向けた材料研究 (2019)
  • Author(s): 志津 友幸、柏木 隆成、中尾 裕則、中川 駿吾、今井 貴之、中山 繭、Kim Jeonghyuk、辻本 学、南 英俊、石田 茂之、茂筑 高士、永崎 洋、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素子アレイを用いたテラヘルツ波発振器の開発 (2019)
  • Author(s): 柏木 隆成、今井 貴之、桑野 玄気、大野 雪乃、中川 駿吾、志津 友幸、金子 陽太、楠瀬 慎二、中山 繭、Kim Jeonghyuk、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] 高温超伝導体Bi2212 単結晶を用いたTHz発振器 の高出力化に向けた素子製作方法の開発 (2019)
  • Author(s): 今井 貴之、柏木 隆成、中川 駿吾、桑野 玄気、大野 雪乃、金子 陽太、楠瀬 慎二、Kim Jeonghyuk、中山 繭、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] Development of High-Tc Superconducting THz Emitters (2019)
  • Author(s): 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
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control Of Mesa Sidewalls For Coherent Terahertz Radiation From Intrinsic Josephson Junctions Of High-Tc Superconductors (2019)
  • Author(s): Genki Kuwano, Yota Kaneko, Takayuki Imai, Yukino Ono, Shungo Nakagawa, Shinji Kusunose, Takanari , Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Manabu Tsujimoto
  • Organizer: 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz Radiation From The High-Tc Superconductor Intrinsic Josephson Junctions Coupled To An External Resonator (2019)
  • Author(s): Yukino Ono, Hidetoshi Minami, Genki Kuwano, Shinji Kusunose, Takayuki Imai, Yota Kaneko, Shungo Nakagawa, Takanari Kashiwagi, Manabu Tsujimoto, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spectroscopic Characterization At THz Frequencies Of Glucose-based Biomaterials: Paramylon, Paramylon-ester And Cellulose (2019)
  • Author(s): Junlan Zhong, Tatsuya Mori, Midori Yamashiro, Takanari Kashiwagi, Teruhiko Tanaka, Hidehisa Kawashima, Junko Ito, Masashi Kijima, Masatoshi Iji, Makoto M. Watanabe, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coherent Terahertz Radiation From Homogeneous Intrinsic Josephson Junction Stacks Of Cuprate High-Temperature Superconductors (2019)
  • Author(s): Manabu Tsujimoto, Genki Kuwano, Yota Kaneko, Takayuki Imai, Yukino Ono, Shungo Nakagawa, Shinji Kusunose, Takanari Kashiwagi, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of High-Tc Superconducting THz Emitters (2019)
  • Author(s): 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 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合素子を用いたテラヘルツ波発振器の開発 (2019)
  • Author(s): 柏木 隆成, 今井 貴之, 桑野 玄気, 大野 雪乃, 中川 駿吾, 志津 友幸, 金子 陽太, 楠瀬 慎二, 中山 繭, Kim Jeonghyuk, 山本 卓, 辻本 学, 南 英俊, 茂筑 高士, 中尾 裕則, 永崎 洋, 石田 茂之, 馬渡 康徳, 長谷川 幸雄, 門脇 和男
  • Organizer: テラヘルツ科学の最先端VI
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~kashiwagi_lab/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 基板構造体、支持構造体、薄膜素子の応用デバイス、テラヘルツ帯域電磁波素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置 (2019)
  • Inventor(s): 柏木隆成，門脇和男, 南英俊，尾内敏彦，吉住昭治
  • Industrial Property Rights Holder: 筑波大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-128660
• [Patent(Industrial Property Rights)] 構造体，テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振素子の動作方法 (2019)
  • Inventor(s): 柏木隆成，尾内敏彦，吉住昭治，南英俊，門脇和男
  • Industrial Property Rights Holder: 筑波大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-147331
• [Patent(Industrial Property Rights)] 構造体，テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置 (2019)
  • Inventor(s): 南英俊南英俊，大野雪乃，門脇和男，柏木隆成，辻本学
  • Industrial Property Rights Holder: 筑波大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-160094