2019 Fiscal Year Annual Research Report
Search for dark matter axions using superconducting junctions
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18H01243
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
柏谷 聡 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40356770)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中 竜大 東邦大学, 理学部, 講師 (00608888)
田仲 由喜夫 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40212039)
北嶋 直弥 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50737955)
山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (00358293)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 暗黒物質アクシオン / 超伝導接合 / トポロジカル量子現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、超伝導/常伝導/超伝導（S/N/S）構造を有するジョセフソン接合が、暗黒物質アキシオンの検出器として有効に機能するかを実験的に検証することである。有力視されている100ueV/c2 程度の質量領域におけるアキシオンは検出が困難とされていたが、近年ジョセフソン接合を用いた新しい検出法が提案されている。これを実験的に検証するために、独自アイデアによるS/N/S 型ジョセフソン接合素子を開発し、精密計測を実施する。本年度はトポロジカル絶縁体上に作成したジョセフソン素子、および産総研で作成されたジョセフソン素子を用い、これらを0。5K程度の低温域でのコンダクタンスの詳細な測定を行い、Beckらにより予言されたコンダクタンスピークが観測できるかを検証した。その結果、いずれの素子においても期待されたピーク構造は現れず、結果としてはネガティブであった。前年度に観測されたコンダクタンス構造はノイズであることが明確になった。そのため、理論の詳細を洗い直し、Beckの理論ではジョセフソン周波数とアクシオン周波数が完全に一致する条件での計算を示しているが、実際の実験状況では、この条件が満たされることは難しく、そのために期待されたピークが見えていないという結論に達した。
一方理論的にはジョセフソン接合中におけるアクシオン暗黒物質の振る舞いに関する理論的基礎固めと同時にこの系を解析するための数値シミュレーションコードの開発を進めた。特に電磁場とアクシオンとの相互作用に着目し、アクシオン場のコヒーレント振動と電磁場との間に共鳴現象が起こるかどうかを調べるためのシミュレーションを開発した。その結果、ジョセフソン接合系に応用する前段階として、より単純化されたセットアップである初期宇宙における解析を査読付き論文で発表した。
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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
コンダクタンスによる測定に関してはネガティブな結果であるが、代替の手段として接合の発する磁場に着眼することにより、非常に精度の高い測定が行える可能性が出てきており、手段としては異なっているが期初の目的に達する測定が行える可能性が高くなってきている。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度から行ってきた計算に基づき、アクシオンを検出するための素子を設計し、産総研の超伝導プロセスファシリティとの連携により、SQUIDを組み込んだジョセフソン素子の設計・作成を進め、周波数駆動時の磁場検出にターゲットを置いた素子デザインを採用する。これによりコンダクタンスの変化ではなく、有限電圧状態のジョセフソン素子とアクシオンとの相互作用による発生磁場を直接検出を行うための準備を整える。磁場がパル的に発生するモデルを想定し、これをラッチ方式で検出するためのSQUID設計をシミュレーションで行い、実際に作成、測定を試みる。また、新しいアプローチとして、トポロジカル物質を用いたフォトンとアクシオン変換可能性に関して、理論を整備し、予備実験を開始する。さらに、ジョセフソン接合内におけるアクシオン暗黒物質による特異な電磁気現象を理論および数値シミュレーションから探る。特にアクシオン起源の電磁場が交流ジョセフソン接合効果にどのような影響を及ぼすか、またRCJS回路に着目し、巨視的トンネル効果が背景アクシオン場の存在によりどのような影響を受けるかを微視的観点から詳細に解析する。最終的にはジョセフソン接合を用いた検出がアクシオンの理論パラメターをどの程度制限できるかどうかまでを明らかにする。
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Research Products
(9 results)
