Development of large arrays of superconducting detector for millimeter and sub-millimeter wave observation

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K14736
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 木内 健司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00791071)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 超伝導検出器

Outline of Annual Research Achievements

超伝導力学的インダクタンス検出器（MKIDs）の開発を継続した。これまで直径200mm基板と直径150mmの2種類の大型基板で開発を進めてきたが、200mmの実証をできたことを踏まえてより開発サイクルを効率化できる150mmウエハに統一して開発を進めた。電磁気シミュレーションソフトウェアSONNETを用いて、設計を行い新たに超伝導転移温度の異なるアルミニウム（Tc=1.2K）とニオブ（Tc=9.2K）を組み合わせたハイブリッド素子の作製を行った。このハイブリッド構造では、2つの物質のエネルギーギャップの違いを利用して励起電子を閉じ込めることでエネルギー分解能を10倍程度向上できる。
当初から、新しい試みとして超伝導検出器を外部の半導体工場に生産委託しているが、ニオブは半導体において一般的な材料でないため、新たにニオブの加工条件の探索を行いこれまでの超伝導検出器専用クリーンルームと同程度の高い精度で加工できることが確認できた。
設計・加工の実績を元に作製した素子は希釈冷凍機を用いた超伝導検出器測定系に設置して冷却し、特性評価を行った。電気的な特性として、超伝導共振器が作る共振ピークを観測することができた。次年度は詳細な測定を行い、ミリ波に感度がある検出器の開発に向けて最適化をすすめる予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画通り、超伝導転移温度の異なるニオブとアルミニウムを用いたハイブリッド素子を作製することができた。
ニオブは金属としては最も高い超伝導転移温度を示す超伝導体であり、超伝導検出器や回路の材料として必須である。一方で、ニオブを一般の半導体工場で加工することは新たな試みであったが、これまでの実績と過去の論文から必要な加工条件を予め推定することによって高品質な加工を短期間で実現できた。光学顕微鏡による観察では、良好な寸法再現性を得られていることが確認できている。６インチ基板を用いたMKIDs検出器は世界的にも貴重で、民間の半導体工場において大面積アレイが作製可能なことを示すことができた。
超伝導検出器の設計においても、電磁気シミュレーションと過去実績をもとに推定し、読み出しの電子機器に適した周波数領域で超伝導共振機が動作するよう設計した。作製した素子は評価中であるが、超伝導状態で共振器として予定した周波数領域で機能していることは確認できており概ね計画通りに進捗していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

当初初年度に予定していた超伝導アルミニウム単層のMKIDs、次年度に予定していた超伝導ニオブと超伝導アルミニウムを組み合わせたハイブリッドMKIDsの作製・開発は予定通り達成済みである。これらによって、検出器の加工・製造について確立することができた。
最終年度はこれまでの知見から、ミリ波を測定可能なアンテナ付きMKIDsの開発を行う。アンテナ付きMKIDsではアンテナへの読み出し用マイクロ波の漏れ出し抑制が重要となる。先行研究のデザインをもとに電磁気シミュレーションを用いてニオブ・アルミニウムのハイブリッド素子に最適化を行う。また、素子特性の更なる向上のため、特に超伝導共振機の内部損失や2準位系がつくる雑音の低減に着目して開発を継続する。
平行して、ミリ派を放射可能な黒体光源の設計・開発を行なっており、冷凍機と組み合わせてアンテナ付き超伝導検出器の開発環境を整備する。特に、黒体温度を宇宙マイクロ波背景放射の温度である3K程度から、地上観測で主要な要因となる大気の有効温度である10K程度まで制御できる黒体光源システムを開発する。