2019 Fiscal Year Research-status Report
シームレス超伝導磁束トランスと磁束リターンガイドによるSQUID磁気顕微鏡の創成
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18K04185
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| Research Institution | Sendai National College of Technology |
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Principal Investigator |
林 忠之 仙台高等専門学校, 総合工学科, 教授 (80310978)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
立木 実 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (50318838)
小森 和範 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (50354296)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | SQUID / SQUID顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / プローブ / 磁束トランス / 磁気像 / 空間分解能 / パーマロイ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
SQUID磁気顕微鏡と走査トンネル顕微鏡(STM)の特長を併せもったSTM-SQUID顕微鏡において、高透磁率プローブが試料から局所的に集束した磁束を、漏洩することなくSQUID磁気センサに伝達させる新技術を確立し、飛躍的にSQUID磁気センサの検出磁場感度ならびにこれに直結する磁気顕微鏡の空間分解能を向上させる装置開発を進めた。 デザインした新奇な磁束検出機構は、磁束リターンガイドとシームレス（縫目なし）超伝導磁束トランスからなるものである。試料から局所的に磁束を集束するファインなパーマロイプローブに同じパーマロイの磁束リターンガイドを接続して、試料との間に磁気閉回路を構成するデザインを設計した。超伝導テープを素材とする超伝導磁束トランスの片方のループに貫通穴を設けてリターンガイドを貫通させることとし、SQUID磁気センサに他方のループを配置させることとした。
超伝導テープを素材とする斬新な超伝導磁束トランスの製作を進めた。フォトリソグラフィーによる超伝導テープの加工が必要となるため、新たに、フォトリソグラフィー環境を構築した。超伝導テープの積層材である、銅膜、銀膜、Re系超伝導膜のエッチング条件、露光・現像等の条件を確立したのち、5mm×15mmの大きさの超伝導磁束トランスを製作できた。製作した超伝導トランスについて、ホールセンサとMOセンサを用いて磁束伝達の様子を視覚的に確認することができた。
次年度以降に実施する結合実験のために、超伝導磁束トランスとパーマロイ磁束リターンガイドからなる磁束検出機構をSQUID磁気顕微鏡ヘッドにマウントするために必要なホルダを設計し、製作を完了した。
また、有限要素法シミュレーションにより、磁束リターンガイドの形状と伝達特性の関係を継続して確認している。
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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
2019年度は2018年度に製作したSQUID顕微鏡ヘッドの構成部品の組み立てを実施してヘッドを完成させ、超伝導磁束トランスについては、トランス単体での評価を実施した後に、ヘッドにマウントして結合実験を開始するという計画であった。
実際には、フォトリソグラフィー環境を構築して、超伝導磁束トランスを製作し、その単体での評価を中心に進めた。これは、超伝導薄膜の特性を劣化することなく、超伝導トランスのパターンを実現すること、超伝導トランスが確実に動作していることとそのパフォーマンスを視覚的に確認してから、結合試験に移行する着実なステップを踏むためである。
液体窒素温度で動作するGaAsホール素子を入手し、液体窒素中で超伝導磁束トランスの入力（パーマロイプローブ側）に疑似信号を与えて、出力側（SQUID側）に磁束が伝達していることを確認した。また、出力側のループ中の磁束の様子を画像化するための装置を開発した。パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドにマウントした超伝導磁束トランスの磁場分布を磁気光学センサを用いたイメージング装置により画像化した。コールドヘッドの温度調整は、ソフトウエア制御により可能であるため、超伝導薄膜の超伝導転移温度近傍での評価も可能であった。
本研究の磁気顕微鏡では、プローブ先端で集束した磁束が、SQUIDにどれだけの割合で伝達できるかが、磁場分解能というパラメータであり、これと空間分解能とは密接な関係がある。斬新なアイデアである超伝導磁束トランス単体での磁束伝達効率を確実に評価すれば磁気顕微鏡のもつ磁場分解能の定量的評価が可能となることが見込める。また、結合試験における不確定要素を低減することにも繋がる。
以上のことから、当初計画から多少迂回することとはなったが、おおむね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
シームレス超伝導磁束トランスと磁束リターンガイドを配置したSQUID顕微鏡ヘッドを開発し、SQUIDの検出感度と空間分解能の評価実験を進める。
2020年度前半には、超伝導磁束トランス単体の磁束伝達効率の定量的評価を継続して行う。超伝導磁束トランスのループ部分にパーマロイプローブを貫通させる必要があるため、貫通穴をあけた場合の評価も行っていく。
その後、すでに製作している、①SQUID顕微鏡ヘッドの先端部のアクリル製真空窓、②プローブと磁束リターンガイドを真空封止するアクリル部品、③パーマロイプローブ、④パーマロイ磁束リターンガイド、⑤プローブと磁束リターンガイドを磁気的に接続するパーマロイ治具、⑥①から⑤を一体化させる樹脂製ホルダからなる、SQUID顕微鏡ヘッドの構成部品の組み立てを実施してヘッドを完成させ、超伝導磁束トランスをヘッドにマウントして結合実験を開始する。液体窒素温度動作の高温超伝導SQUIDをセンサとするSQUID顕微鏡の基本動作を確認したのち、標準試料によるSQUIDの磁場検出感度を評価し、高温超伝導線材などの液体窒素温度下の試料の微細磁気構造評価を試みる。高温超伝導SQUID顕微鏡の評価を終えたならば2021年度には超伝導薄膜中のボルテックスの高解像描出のために、液体ヘリウム温度動作の低温超伝導SQUIDをセンサとしたSQUID顕微鏡へ発展させる。
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| Causes of Carryover |
研究を遂行するにあたり、必要消耗品が当初計画より余剰した。超伝導磁束トランス作成用の超伝導線材は、研究分担者現有のもので充足したため、新たに購入する必要がなくなった。SQUID顕微鏡ヘッドの真空引きのための、現有の真空ポンプに不具合が発生し、その修理費が必要となる可能性がでてきたため、次年度使用額へ留保した。
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Research Products
(2 results)
