2018 Fiscal Year Annual Research Report
SIS接合における量子論的周波数アップコンバージョン過程の探求と応用
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18H03881
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| Research Institution | National Astronomical Observatory of Japan |
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Principal Investigator |
鵜澤 佳徳 国立天文台, 先端技術センター, 教授 (00359093)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小嶋 崇文 国立天文台, 先端技術センター, 助教 (00617417)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | SIS接合 / アップコンバージョン計算 / 接合キャパシタンス / 周波数アップコンバージョン利得 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超伝導体－絶縁体－超伝導体（SIS）接合の新たな可能性を見出すために、周波数アップコンバータとしての性能を明らかにし、さらに応用することを目指している。
初年度の2018年度は、Tuckerの量子論的ミキシング理論を周波数アップコンバージョンに適用したシミュレータを構築し、SISアップコンバータの設計や特性解析の準備を整えた。並行してSISアップコンバータの詳細設計に必要となるSIS接合自身の単位面積当たりのキャパシタンスの評価を行った。アップコンバージョン周波数帯であるミリ波帯やダウンコンバージョン周波数帯のマイクロ波帯の回路インピーダンス特性だけでなく、SIS接合自身に付随する構造由来のキャパシタンスの影響が既知でなければならない。しかしながら、従来手法では測定量に量子サセプタンスが混入するために、構造由来の接合キャパシタンスのみを抽出することが難しかった。今回、広範囲のバイアス電圧においてSパラメータを測定することにより量子サセプタンスの直接観測に成功した。さらに、非常に広帯域な測定を実施することで、量子サセプタンスの影響を定量的に見積るとともに、接合キャパシタンスを正確に抽出することが可能となった。
加えて、SIS接合の実験的評価の準備を進めた。SISアップコンバータ単体の直接評価を可能にするために、測定手法や測定系の検討を行い、ノイズソースやベクトルネットワークアナライザなどを用いたミリ波帯測定系を構築した。実際に予備実験を行うことによりSISミキサ単体における周波数アップコンバージョン利得を観測することに成功した。このことは、検討した測定手法および測定系がSIS接合のアップコンバージョン過程を明らかにする準備が整ったことを示している。
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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
本研究の全体計画は、以下の通りである。SIS接合による準粒子アップコンバージョンミキサの数理モデルの構築、マイクロ波からミリ波へのアップコンバージョン特性評価系の構築、さらに理論計算をベースに設計・試作するSISアップコンバータに対して実験・解析を行うことで、世界に先駆けてSIS接合の量子論的周波数アップコンバージョン過程を明らかにする。さらに本研究によるSISアップコンバータと従来のSISダウンコンバータを縦続接続させた革新的なマイクロ波増幅器への応用に発展させる。このため研究課題を(1)アップコンバージョン理論解析（理論）、(2)アップコンバータ特性評価（実験）、(3)高周波増幅器性能実証（応用）に分け、研究分担者、研究協力者と共に3年間で研究を実施する。
初年度である2018年度は、(1)、(2)に着手し、(1)においては、Tuckerの量子論的ミキシング理論をベースにシミュレータを構築し、実験で用いるNb接合を仮定した周波数アップコンバージョンの理論計算を行った。SIS接合のギャップ電圧における電流の立ち上がりの電圧幅に相当する周波数以上で利得が得られることを明らかにした。また、設計に必要なSIS接合の単位面積当たりのキャパシタンス値（Cs）を正確に求める手法を開発し、臨界電流密度に対するCsの依存性を実験的に明らかにした。
(2)においては、SISアップコンバータの特性評価を可能にする測定系の整備を進め、予備実験によりSIS接合における周波数アップコンバージョン利得を観測することに成功した。
上述の成果を、Applied Superconductivity Conference等の国際会議や国内会議で発表を行った他、学術論文にまとめて投稿し、IEEE Trans. Appl. Supercond.に掲載可（電子版では掲載）となり、計画通りの進捗があったと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目となる2019年度は、2018年度に構築した実験系を発展させ、SISアップコンバータからの出力を直接観測するためのミリ波帯スペクトラムアナライザ機能をネットワークアナライザに付加し、雑音温度評価を可能にする。これにより、SIS接合における詳細な周波数アップコンバージョン特性を利得と雑音温度の両面から測定することで、最適動作条件を見出す。
国立天文台のクリーンルーム施設を用いて、構築したシミュレータを用いて設計したSIS接合素子の試作を行い、測定結果をフィードバックすることによって、素子の高性能化を行う。最終年度には、それまでに獲得した知見、技術をSISアップコンバータ設計へ反映させ、従来のSISダウンコンバータを縦続接続させた革新的なマイクロ波増幅器への応用に発展させる。
得られた成果を順次取りまとめ、国内外の学会発表や論文発表を行う。2019年度は、イタリア・ミラノで開催される18th Low Temperature Detector Conference (LTD18)等で成果発表を行う。
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