2023 Fiscal Year Research-status Report
固有ジョセフソン効果の広領域位相同期と電磁波放射構造
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22K04861
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
南 英俊 筑波大学, 数理物質系, 講師 (00190702)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ジョセフソン効果 / テラヘルツ波 / 高温超伝導 / 固有ジョセフソン接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+d結晶をメサ型素子の大規模なアレイやフォトニック結晶構造に加工することで、結晶内で生じる超伝導電流、常伝導電流と変位電流の集団励起であるジョセフソンプラズマを、広い領域でコヒーレントに発生させることを目指す。それによって、放射される単色テラヘルツ波を増強することを目的とする。
昨年度の研究で、２０個前後のメサ型素子からなるアレイ素子が作製できるようになり、また、大規模アレイ素子を駆動できるパルスバイアス測定システムを構築した。従来比で約１０倍の電流を流すにもかかわらず、超伝導転移温度直下での動作や1 THzを超える周波数での発振が得られていた。また、放熱のため載せている高熱伝導性窓板による誘電体共振器アンテナ効果によって高い指向性が得られることを報告した。本年度はアレイ素子作製技術の改良とフォトニック結晶構造素子の試作を行った。また昨年度末に、本素子によって周波数掃引が可能であることを見出したが、本年度はその特性の改善に向けた研究を行った。
アレイの規模が大きくなったため、これまでの素子構成では電気的接続、熱的接触の再現性が難しくなっていた。そこで素子作製法の改良を行い、歩留まり・再現性を向上させることに成功した。これにより研究の効率性が上がり、また、より大規模なアレイ素子を作製するための基礎固めができた。現在のテラヘルツ技術では難しい高速・高繰り返し周波数での周波数掃引が本素子によって可能であるが、周波数掃引時の発振周波数の分裂と強度ムラという課題があった。本年度の実験研究によって、アレイ化による高強度化とアレイ素子における単色性を両立させるために必要な、メサ型素子間の位相同期（広い領域でのジョセフソンプラズマのコヒーレンス）についての知見を得ることができ、上記の課題を克服するための方策を立てることができた。
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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
昨年度の研究で、それまで報告のなかった２０個前後のメサ型素子からなる大型のアレイ素子が作製できるようになり、広い領域でのジョセフソンプラズマのコヒーレンスを実現できることを見出した。また、このアレイ素子とこちらも我々が最初となるパルスバイアス駆動によって、現在のテラヘルツ技術では難しい高速・高繰り返し周波数での周波数掃引が可能であることを見出した。本年度は、素子構造・構成と作製工程の変更によってメサ型アレイ素子作製の歩留まりを向上させることに成功し、再現性良く高強度なテラヘルツ波放射を得ることができるようになった。より大規模なアレイ素子を作製するための基礎固めができ、また、この作製技術を用いることでフォトニック結晶構造素子の試作に踏み出せたことで、広い領域でのジョセフソンプラズマのコヒーレンスの実現と、それによるテラヘルツ波発振素子としての性能向上に向けてさらに前進した。また、この素子作製技術の開発によって研究の効率性が上がったことで、周波数掃引発振素子の実用化に向けて、アレイ内のメサ型素子間の位相同期について重要な知見を得ることができ周波数掃引特性の改善研究を進めることができた。
したがって、当初計画した研究はおおむね順調に進んでいると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画を進めるために、さらに大規模なアレイ素子の作製を行いメサ型素子間の位相同期について理解を深めるとともに、放射の高効率化を図るためアレイ素子に特化したアンテナ構造を付加することでテラヘルツ放射の高強度化を図る。フォトニック結晶構造素子の作製と研究をさらに進め、これまでにない機構による結晶面方向のジョセフソンプラズマのコヒーレンスの可能性を調べる。
本研究課題の当初のテーマからは外れるが、本素子唯一無二の技術となる高速・高繰り返し周波数での周波数掃引素子の実現に向けて、周波数ギャップの解消と単色化の性能向上を強力に推進する。最終年度であるので、周波数掃引装置の実用化に向けた完全な低温寒剤フリーシステムの構築を行う。
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| Causes of Carryover |
これまでの２年通期で92,602円の次年度使用が生じているが、一つの要因は旅費とその他の経費において想定していた学生の使用量がなかったためである。しかし、おおむね予算計画通りに使用していると考える。今年度は、高強度テラヘルツ放射素子の作製・評価と周波数掃引特性の改善に必要な物品、共同利用施設使用料、シミュレーションソフトの更新料および学会旅費と参加料などへの使用を計画している。
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[Journal Article] Study on the effect of Bi/Sr ratio on the device characteristics of high-Tc superconducting terahertz wave emitters made of Bi2Sr2CaCu2O8+δ single crystals2024
Author(s)
M. Nakayama, S. Nakagawa, T. Yamaguchi, H. Minami, K. Kadowaki, H. Nakao, T. Mochiku, M. Tsujimoto, S. Ishida, H. Eisaki, T. Kashiwagi
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Journal Title
J. Appl. Phys.
Volume: 135
Pages: 073902(8p)
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Study of device characteristics of intrinsic Josephson junction terahertz emitters related to annealing conditions of the crystals2023
Author(s)
S. Nakagawa, T. Shizu, T. Imai, M. Nakayama, J. Kim, H. Minami, K. Kadowaki, M. Tsujimoto, H. Nakao, H. Eisaki, S. Ishida, T. Mochiku, Y. Hasegawa, T. Kashiwagi
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Journal Title
J. Appl. Phys.
Volume: 133
Pages: 163904(8p)
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Approaches to high performance terahertz-waves emitting devices utilizing single crystals of high temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ2023
Author(s)
T. Kashiwagi, G. Kuwano, S. Nakagawa, M. Nakayama, J. Kim, K. Nagayama, T. Yuhara, T. Yamaguchi, Y. Saito, S. Suzuki, S. Yamada, R. Kikuchi, M. Tsujimoto, H. Minami, K. Kadowaki
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Journal Title
IEICE TRANS. ELECTRON.
Volume: E106-C
Pages: 281-288
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Bi2212-THz波発振器の材料と発振特性に関する研究III2023
Author(s)
柏木隆成, 中川駿吾, 山田将太郎, 菊池隆太, 榎本祐樹, 山内悠希, 葛見佳彦, 前島健太郎, 中尾裕則, 辻本学, 石田茂之, 永崎洋, 廣戸孝信, 茂筑高士, 南英俊
Organizer
第84回応用物理学会秋季学術講演会
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[Presentation] 過剰酸素量がBi2212-THz波発振素子のデバイス特性に及ぼす影響に関する研究2023
Author(s)
前島健太郎, 中川駿吾, 山田将太郎, 菊池隆太, 榎本裕樹, 山内悠希, 葛見佳彦, 南英俊, 石田茂之, 永崎洋, 中尾裕則, 柏木隆成
Organizer
第84回応用物理学会秋季学術講演会
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