2020 Fiscal Year Annual Research Report
Difference voltage tracking in quantum metrology triangle
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19K23527
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
松丸 大樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (30849146)
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| Project Period (FY) |
2019-08-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 電圧標準 / ジョセフソン効果 / 超伝導体 / 精密測定 / オームの法則 / SI単位 / 熱伝導 / 低温 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子力学的に独立に生成した電流・電圧・抵抗の各物理量を、オームの法則に基づいて相互に検証する実験を量子メトロロジートライアングル実験という。本研究では、実験中に差電圧を測定する微小電圧計に生じるゲインエラー(入力に対する出力のずれ)に着目し、差電圧の動的なトラッキングとそれを補償するためのフィードバック機構の導入によるゲインエラーに起因した不確かさの低減を目指す。最終的には7桁以上の高精度での直接比較測定を目標としている。
2019年度は、差電圧のトラッキングに必要な遅延時間の見積もりと、フィードバックの結果を反映させるマイクロ波の周波数変調にかかる遅延時間の実測を行った。この結果を基に、1/fノイズ(パワーが周波数に反比例する雑音)を含むランダムノイズにフィードバック機構を組み込んだ際のシミュレーションを行った。その後、冷凍機中でジョセフソン効果電圧標準素子を用いた電圧生成を試みたところ、マイクロ波の入射後に温度が上昇し、超伝導体の臨界温度を超えて測定ができなくなる現象が見られた。これは、冷凍機の4 Kステージにおける冷却能力を超える、当初想定した以上の発熱が生じたことを示しており、熱設計の修正が必要と判断した。2020年度は当初の計画を変更し、電圧生成を行う素子の冷凍機実装における熱的効果の最適化に注力して実験に取り組んだ。配線の候補となる線材の物性値から、それぞれの材料を用いた際の熱流入量とジュール熱を求め、最も熱負荷の小さい組み合わせを決定した。計画をもとに配線を行い、ジョセフソン効果によって生成した68 mVの電圧が相対値で7桁以上の精度で温度の安定した状態(±30 mK以内)で実現していることを確認した。
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