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2020 Fiscal Year Annual Research Report

Demonstration of multi-photon laser emission from superconducting intrinsic Josephson junctions

Research Project

Project/Area Number 20H02606
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

掛谷 一弘  京都大学, 工学研究科, 准教授 (80302389)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 町田 昌彦  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主席 (60360434)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywordsジョセフソン接合 / テラヘルツ / 同期現象 / 共振効果 / 固有ジョセフソン接合
Outline of Annual Research Achievements

高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8単結晶からなる高温超伝導テラヘルツ光源において、強力な電磁波放射をもたらす同期現象を偏波観測により明らかにした。
Bi2Sr2CaCu2O8単結晶基板上に複数のメサ構造を形成し、個別メサ発振の場合と複数メサ同時発振の場合の偏光をそれぞれ観測し、同時発振状態を個別発振状態を基底とする線形結合で記述することを提案した。そこで得られる複素係数は、超伝導基板で励起されるプラズマ振動を介したメサ構造間の結合を意味し、その系統的な理解は強力な電磁波放射をもたらす同期動作を制御する結果を与える。
今年度の研究では、形状の異なる複数のデバイスについて実験を行い、行列要素の系統的な変化の抽出を試みた。ここで、同時発振を記述するための基底を個別発振の最大発振強度状態に取った結果、メサ構造間の距離と複素係数の位相差の強い相関を見出した。複数の発振器同士の結合に関する本成果は、発振器と能動的共振器の結合に関する学理につながる。それとともに、テラヘルツ領域の量子もつれ光源の可能性を示唆しており、超伝導デバイス特有の効果であるともいえる。
一方、受動的共振器との結合についても検討を進めた。既存の共振器に適合する形状の発振デバイスを設計・作製し、発振の検出を試みたところ、過去の研究では報告されていない特性の発振が観測された。新しい特性の発振は、従来型の発振より共振器との結合による発振特性の変化を観測することが容易と考えられるため、新しい研究方針の開拓と捉えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

新型コロナウィルスのパンデミックに伴う外部研究機関との交流の制約により、受動フォトニック結晶共振器との結合に関する研究の進捗が予定より少し遅れている。しかしながら、能動メサ型共振器との結合に関しては、新しい研究成果が多数得られて、現在論文執筆のための解析中である。

Strategy for Future Research Activity

フォトニック結晶共振器との結合効果に関する研究を進める。また、今年度は固有ジョセフソン接合からの円偏光放射に関する数値計算の実績を有している産業技術総合研究所の浅井栄大博士を研究分担者に迎え、外部電磁場と固有接合の結合に関して、具体的な計算を進めていき、本研究の目標に到達する。

  • Research Products

    (18 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ケンブリッジ大学(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      ケンブリッジ大学
  • [Int'l Joint Research] エコールノルマルスペリウール/CNRS/PSL(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      エコールノルマルスペリウール/CNRS/PSL
  • [Journal Article] THz emission from a Bi2Sr2CaCu2O8+δ cross-whisker junction2021

    • Author(s)
      Saito Yoshito, Adachi Shintaro, Matsumoto Ryo, Nagao Masanori, Fujita Shuma, Hayama Ken, Terashima Kensei, Takeya Hiroyuki, Kakeya Itsuhiro, Takano Yoshihiko
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Pages: 033003~033003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abe166

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Interlayer Transport and Josephson Coupling in a 1212-type Cuprate Superconductor with a (Pb,Cu)?O Barrier Layer2021

    • Author(s)
      Komori Sachio、Kakeya Itsuhiro
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 90 Pages: 024702~024702

    • DOI

      10.7566/JPSJ.90.024702

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mutual Synchronization of Terahertz Emissions from Multiple Intrinsic Josephson Junction Mesas2020

    • Author(s)
      Hayama Ken、Fujita Shuma、Kuriyama Yuya、Maeda Keiichiro、Tsujimoto Manabu、Kakeya Itsuhiro
    • Journal Title

      2020 International Conference on UK-China Emerging Technologies (UCET)

      Volume: 1 Pages: 1

    • DOI

      10.1109/UCET51115.2020.9205454

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mutually Synchronized Macroscopic Josephson Oscillations Demonstrated by Polarization Analysis of Superconducting Terahertz Emitters2020

    • Author(s)
      Tsujimoto M.、Fujita S.、Kuwano G.、Maeda K.、Elarabi A.、Hawecker J.、Tignon J.、Mangeney J.、Dhillon S.S.、Kakeya I.
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 13 Pages: 051001-051001

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.13.051001

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bi2212メサアレイからのテラヘルツ偏光測定による相互同期解析III2021

    • Author(s)
      巴山 顕, 小林 亮太, 藤田 秀眞, 辻本 学, 掛谷 一弘
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 高温超伝導体-強磁性体二層膜におけるテラヘルツ時間領域分光法による複素伝導率解析2021

    • Author(s)
      中村 公大, 末木 聖大, Juliette Mangeney, Jerome Tignon, Sukhdeep Dhillon, 小森 祥央, J.W.A. Robinson, 掛谷 一弘
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] BSCCOウィスカ十字接合を用いたテラヘルツ発振2021

    • Author(s)
      齋藤 嘉人, 足立 伸太郎, 松本 凌, 藤田 秀眞, 巴山 顕, 長尾 雅則, 掛谷 一弘, 寺嶋 健成, 竹屋 浩幸, 高野 義彦
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Mutual Synchronization of Terahertz Emissions from Multiple Intrinsic Josephson Junction Mesa2020

    • Author(s)
      I. Kakeya
    • Organizer
      5TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE UK - CHINA EMERGING TECHNOLOGIES (UCET) 2020
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 固有ジョセフソン接合メサ構造の臨界電流分布制御による円偏光テラヘルツ波放射2020

    • Author(s)
      前田慶一郎,巴山顕,栗山由也,ELARABI A.,辻本学,浅井栄大,掛谷一弘
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Presentation] Bi-2212固有接合系における巨視的ジョセフソン振動の相互同期2020

    • Author(s)
      辻本学,藤田秀眞,桑野玄気,前田慶一郎,ELARABI Asem,掛谷一弘
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Presentation] テラヘルツ時間領域分光法を用いた高温超伝導体の面内異方性測定法の開発 II2020

    • Author(s)
      末木聖大,中村公大,HAWECKER J.,MANGENEY J.,TIGNON J.,DHILLON S. S.,掛谷一弘
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Bi2212メサアレイからのテラヘルツ偏光測定による相互同期解析 II2020

    • Author(s)
      巴山顕,藤田秀眞,前田慶一郎,辻本学,掛谷一弘
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 新機能開拓を目指したBi-2212ウィスカ十字接合の作製2020

    • Author(s)
      齋藤嘉人,齋藤嘉人,足立伸太郎,松本凌,藤田秀眞,巴山顕,長尾雅則,掛谷一弘,竹屋浩幸,高野義彦,高野義彦
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 高温超伝導体固有ジョセフソン接合の物理と応用:単結晶がそのまま集積デバイスに2020

    • Author(s)
      掛谷一弘
    • Organizer
      令和 2 年度 第 1 回ナノ材料部門委員会 第 1 回研究会 令和 2 年度 第 3 回半導体エレクトロニクス部門委員会 第 2 回研究会
    • Invited
  • [Remarks] 京都大学集積機能工学研究室

    • URL

      http://sk.kuee.kyoto-u.ac.jp/ja/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 高温超伝導テラヘルツ光源2020

    • Inventor(s)
      掛谷一弘、前田慶一郎
    • Industrial Property Rights Holder
      京都大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-082648

URL: 

Published: 2021-12-27  

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