2021 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 – 2023-03-31
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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。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とした。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。
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、⑤③と④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、⑦片方のループに貫通穴を加工した超伝導磁束トランスからなる磁束検出機構部のすべてのパーツを組み上げ、結合実験をスタートさせた。
STM-SQUID顕微鏡の基本動作を確認し、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計画で、結合実験を開始したところ、ヘッド先端部のアクリル製真空窓に着霜が生じる不具合が発生した。その原因を調査したところ、真空層のスローリークの可能性が見られ、原因箇所の特定と修繕にあたった。これに並行して、極低温部と室温部とのクリアランスを確保するよう部品の再設計・再製作を行い、リーク修繕完了後の実験に万全を期した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
今年度は、STM-SQUID顕微鏡ヘッド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こととしていた。
新規にデザインしたヘッドの構成部品が揃い、結合実験を開始したところ、ヘッド先端部のアクリル製真空窓に着霜が生じる不具合が発生した。その原因を調査したところ、真空層のスローリークの可能性が見られ、原因箇所の特定と修繕にあたった。
計測用コネクタ2か所のリーク修繕を行った、コネクタ取り付け箇所の真空側にアルミ製のリングを取り付け、リーク個所にエポキシ樹脂を流し込んだ。また、内装テール部の位置決めをして保持するための3本のFRP製サポートの根元に補強版を取り付けて修繕した。到達真空度の上昇が緩慢であることから、リーク下での使用による積層断熱材と吸着剤の水分等による汚染の可能性があり、断熱材と吸着剤の交換による修繕を翌年度早々で進め、リーク問題を解決する。
これに並行して、①安定した磁束ロック動作（磁気計測）のためのSQUIDの磁束変調特性の電圧ピーク不足、②室温下の構成と低温下の構成とのクリアランスが必要という課題もあったことから、極低温部と室温部とのクリアランスを確保するよう部品の再設計・再製作を行い、リーク修繕完了後の実験に万全を期した。特に、磁束トランスの貫通穴に挿入するプローブとのクリアランス確保は重要と判断し、リターンポールの径は当初φ2であったが、φ1.5へ変更した。これによる磁束集束のパフォーマンスに影響がないことを有限要素法シミュレーションにより確認した。
今年度は、ヘッドのリーク修繕を進めたため、STMとの同時計測による試料の微細磁気構造評価を試みることには至らなかった。このことから、研究期間を1年延長して遂行する。
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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。
ヘッドの到達真空度の上昇が緩慢であることから、リーク下での使用による積層断熱材と吸着剤の水分等による汚染の可能性があるため、断熱材と吸着剤の交換による修繕を2022年度早々に進めて、リーク問題を解決する。ヘッド先端部の着霜を回避した長時間の走査実験に耐えうる真空性能とさせる。
着霜の回避に加えて、①安定した磁気計測のためのSQUIDの磁束変調特性の電圧ピーク不足、②室温下の構成と低温下の構成とのクリアランスの問題を解決するために再設計・再製作した、パーマロイプローブ、パーマロイ磁束リターンガイド、これら双方を磁気的に接続するパーマロイ治具、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を磁束検出機構部に搭載させてすべてのパーツを組み上げ、遅れている結合実験をスタートさせる。
プローブの先端から集束した試料の磁束が、シームレス超伝導磁束トランスを介してSQUIDに伝達できていることを確認したのち、ヘッドを走査プローブ顕微鏡に組み込んで、STM-SQUID顕微鏡の形状像と磁気像を同時描出させる基本動作を確認する。細線ミアンダライン、ニッケル磁性薄膜の細線パターンやドットパターン等の標準試料によるSQUIDの磁場検出感度と空間分解能を評価する。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のための装置構成や、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顕微鏡への発展について検討する。
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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。研究の遂行に支障をきたしているSQUID顕微鏡ヘッドのリーク修理が必要であるので次年度使用額へ留保した。
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Research Products
(3 results)
