2020 Fiscal Year Research-status Report
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20K04610
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
服部 香里 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, 主任研究員 (10624843)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 単一光子検出器 / 超伝導検出器 / 微弱光イメージング / フラットレンズ / 超伝導転移端センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超高感度、高波長分解能かつ可視光、近赤外域で一気にスペクトルイメージングを行うための超伝導検出器の研究を行う。超伝導転移端センサは、超高感度で可視光 近赤外域の単一光子を一個ずつ分光して検出可能という、既存の検出器にない大きな特徴がある。一方、波長分解能向上についてはまだ開発途上である(近赤外で100 nm、可視光で50 nm)。バイオサンプルからの自家蛍光などをスペクトルを詳細に取得しながらイメージングするには、波長分解能を向上させる必要がある。そのためには、光子一個が吸収されたときのセンサ内の温度上昇を大きくするために小型化すればよい。しかし、小型センサと光ファイバを高効率で結合することが課題であった。本研究では、二次元メタマテリアル構造をセンサ上に形成することで、フラットレンズを実現し、小型センサに高効率で集光し、波長分解能(10 nm) を目指す。
本研究は、(1)小型TESに高効率で集光できるフラットレンズの開発(2)2 umかそれ以下のサイズの小型TES、の二本柱で行う。2020年度は(1)については、フラットレンズの設計を行うためにFinite-Difference Time-Domain(FDTD)法を用いて検出器のシミュレーションを行った。(2)については、1 um角の検出器を試作した。本研究開始以前に作成した検出器で最も最小のものは5 um角であった。したがって今回、大幅に小型化した。1 um角の検出器については、まずは超伝導になることを確認した。次に、レーザーを照射して単一光子による信号が得られることを確認した。さらに単一光子による信号も確認した。
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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
本研究は(1) 小型TESに高効率で集光できるフラットレンズの開発(2)2 umかそれ以下のサイズの小型TES、の二本柱で行うが、2020年度はともに実施した。
(1)については、フラットレンズの設計を行うためにFinite-Difference Time-Domain (FDTD) 法を用いて三次元の電磁波解析を行った。まずは検出器のモデルを作成し、実験値とconsistentであるか確かめた。検出器はキャビティ構造の中に埋め込まれている。キャビティ構造は、測定したい波長で検出効率が100%近くなるように最適化されている。これまで、キャビティ構造は薄膜計算ソフトウェアを使用して反射率、透過率を計算することで最適化が行われてきた。しかし、この計算ではセンサに付随する電極の影響は考慮してこなかった。しかし、三次元シミュレーションでは電極をモデルに含めることが可能となる。そこで、電極を含めてシミュレーションを行い、薄膜計算ソフトウェアとconsistentな結果を得た。
(2)については、1 um角の検出器を試作した。本研究開始以前に作成した検出器で最も最小のものは5 um角であった。したがって本研究では大幅に小型化したことになる。今回作成した1 um角の検出器については、まずは超伝導になることを確認した。次に、レーザーを照射して単一光子による信号が得られることを確認した。また、エネルギー分解能としては既存の検出器と同程度であった。検出器は小型であり熱容量が小さいため、小さいエネルギーでサチュレーションを起こす懸念があったが、4 eV程度のエネルギーまで問題なく測定できることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)のフラットレンズについては、検出器モデルにメタマテリアル構造を追加し、FDTD法でシミュレーションを行う。そして、検出器に集光できるような最適な構造を決定する。そのうえで試作し、検出効率が向上するか確かめる。二次元メタマテリアル構造の作成については、産総研のナノプロセシング施設(NPF) にて電子ビーム描画装置を利用して行う予定である。
(2)の小型検出器の研究については、初めての試作としては想定以上に良い性能が得られた。一方、検出器を小型化して熱容量を小さくし、エネルギー分解能を向上させる予定であったが、得られたエネルギー分解能はこれまでの検出器(5 um角、8 um角)と同程度であった。これは、検出器の超伝導転移温度Tcが500 mK程度とこれまでの検出器よりも高かったためである。Tcは検出器の膜厚を変えることで下げることができる。今後はTcを200 mK以下まで下げ、エネルギー分解能が向上することを確認する。その後、小型検出器上にフラットレンズを実装し、検出器上に集光されるか確認する。
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| Causes of Carryover |
今年度からデバイスの試作を行う予定であったが、今年度はデバイスの設計に注力したため、その分の予算は来年度に使用することとしたため。
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