高温超伝導体の固有ジョセフソン接合から得られるＴＨｚ波の発振機構の解明と出力向上

• Project/Area Number: 14J03097
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biological physics/Chemical physics/Soft matter physics
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 渡邉 千春 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2015: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2014: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 高温超伝導体 / THz波 / Photo-Luminescence発光 / Hot spot / Bi2212 / パッチアンテナ / Josephson effect / Superconductor / hot spot / 熱分布測定 / フォトルミネッセンス発光 / SiC / ジョセフソン接合 / ジョセフソン効果

Outline of Annual Research Achievements

代表者はこれまで高温超伝導体BSCCO結晶の固有ジョセフソン接合を利用したTHz波発振素子の詳細な温度分布測定をSiCのPhoto-Luminescence発光強度の温度依存性を利用して行ってきた。しかし、この方法では空間分解能が微結晶の粒径により制限され、数 μm程度が限界であった。そこでPL発光を生じるZnO薄膜を利用することによって、より高分解能な素子温度分布観測を試みた。具体的な薄膜育成方法は、ZnO薄膜をPLD(Pulse Laser Deposition)装置を利用してサファイア基盤表面に成長させる。結果、極めて高空間分解能かつ温度に敏感なPL発光を生じるZnO薄膜の育成に成功し、最適な成膜条件の同定した。
さらに本年度は、新たな試みとしてディスク型素子の中央に穴を空けた環状リング素子を作成しその発振特性観測を試みた。アンテナ工学の分野ではこの構造のパッチアンテナ特性について少なからぬ注目が寄せられ、様々な研究がなされてきた。その特徴を例として挙げれば、同一の共鳴周波数を最低次のモードで得るためにはディスク型のものと比較して面積が小さくて済むため、密集型のアレイ構造に利用可能である。さらにモード分離は外形と内径の比に依存するため、これを操作することにより共鳴周波数の同調が可能となる。しかしながら環状リング構造を用いた高温超伝導体THz波発振素子についての理論研究はあるものの実験的な試みはなされていない。そこで実際に素子を作成することでその特性を精査した。作成方法はこれまでのメタルマスクを用いた素子作製方法では困難なため、フォトリソグラフィー・パターニング装置を利用した。これにより電流・電圧特性および素子構造の高い再現性を有する素子の作製プロセスを確立することができた。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cavity Mode Enhancement of Terahertz Emission from Equilateral Triangular Microstrip Antennas of the High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d (2016)
  • Author(s): Daniel P. Cerloney, Candy Reid, Constance M. Doty, Ashley Gramajo, Tyler D. Campbell, Manuel A. Morales, Kaveh Delfanazari, Manabu Tsujimoto, Takanari Kashiwagi, Takashi Yamamoto, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki and Richard A. Klemm
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 29 Issue: 1 Pages: 015601-015601
  • DOI: 10.1088/0953-8984/29/1/015601
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical Potential Distribution in Terahertz-Emitting Rectangular Mesa Device of High-T_c Superconducting Bi_2Sr_2CaCu_2O8+d (2016)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takeo Kitamura, Yoshihiko Saiwai, Yuki Shibano, Takuya Katsuragawa, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takanari Kashiwagi, Richard A Klemm and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Supercond. Sci. Tech Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 0.43 THz emission from high-Tc superconducting emitters optimized at 77 K (2015)
  • Author(s): Minami H, Watanabe C, Kashiwagi T, Yamamoto T, Kadowaki K, Klemm A R
  • Journal Title: J. Physics: Condensed Matter Volume: 28 Pages: 025701-025701
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Efficient Fabrication of Intrinsic-Josephson-Junction Terahertz Oscillators with Greatly Reduced Self-Heating Effects (2015)
  • Author(s): Kashiwagi T, Yamamoto T, Minami H, Tsujimoto M, Yoshizaki, Delfanazari K, Kitamura T, Watanabe C, Nakade K, Yasui T, Asanuma K, Saiwai Y, Shibano Y, Enomoto T, Kubo H, Sakamoto K, Katsuragawa T, Markovic B, Mirkovic J, Klemm A R, Kadowaki K
  • Journal Title: Phys. Rev. Appl. Volume: 4 Pages: 054018-054018
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A high-T_c intrinsic Josephson junction emitter tunable from 0.5 to 2.4 terahert (2015)
  • Author(s): Kashiwagi T, Sakamoto K, Kubo H, Shibano Y, Enomoto T, Kitamura T, Asanuma K, Yasui T, Watanabe C, Nakade K, Saiwai Y, Katsuragawa T, Tsujimoto M, Yoshizaki R, Yamamoto T, Minami H, Klemm A R, Kadowaki K
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 107 Pages: 082601-082601
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Current Filamentation in Large Bi_2Sr_2CaCu_2O8_{8+d} Mesa Devices Observed via Luminescent and Scanning Laser Thermal Microscopy (2015)
  • Author(s): Benseman M T, Koshelev A E, Vlasko-Vlasov V, Hao Y, Kwok W-K, Welp U, Keiser C, Gross B, Lange M, Kölle D, Kleiner R, Minami H, Watanabe C, Kadowaki K
  • Journal Title: Phys. Rev. Appl. Volume: 3 Pages: 044017-044017
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Influence of the local heating position on the terahertz emission power from high-T_c superconducting Bi_2Sr_2CaCu_2O_8+ δ mesas (2015)
  • Author(s): C. Watanabe, H. Minami, T. Kitamura, K. Asanuma, K. Nakade, T. Yasui, Y. Saiwai, Y. Shibano, T. Yamamoto, T. Kashiwagi, Richard A. Klemm, and K. Kadowaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 106 Issue: 4 Pages: 042603-042603
  • DOI: 10.1063/1.4906768
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Generation of electromagnetic waves from 0.3 to 1.6 terahertz with a high- T_c superconducting Bi_2Sr_2CaCu_2O_8+ δ intrinsic Josephson junction emitter (2015)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Takashi Yamamoto, Takeo Kitamura, Kentaro Asanuma, Chiharu Watanabe, Kurama Nakade, Takaki Yasui, Yoshihiko Saiwai, Yuuki Shibano, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takuya Katsuragawa , Manabu Tsujimoto, Kaveh Delfanazari, Ryozo Yoshizaki, Hidetoshi Minami, Richard A. Klemm, and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 106 Issue: 9 Pages: 092601-092601
  • DOI: 10.1063/1.4914083
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spectral investigation of hot spot and cavity resonance effects on the terahertz radiation from high-T c superconducting Bi_2Sr_2CaCu_2O_8+δ mesas (2014)
  • Author(s): C. Watanabe, H. Minami, T. Yamamoto, T. Kashiwagi, R. A. Klemm and K. Kadowaki
  • Journal Title: J. Phys. Condense Matter Volume: 26 Issue: 17 Pages: 172201-172201
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/17/172201
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Broadly tunable, high-power terahertz radiation up to 73 K from a stand-alone Bi_2Sr_2CaCu_2O_8+δ mesa (2014)
  • Author(s): T. Kitamura, T. Kashiwagi, T. Yamamoto, M. Tsujimoto, C. Watanabe, K. Ishida, S. Sekimoto, K. Asanuma, T. Yasui, K. Nakade, Y. Shibano, Y. Saiwai, H. Minami, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 105 Issue: 20 Pages: 202603-202603
  • DOI: 10.1063/1.4902336
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 高温超伝導体THz波発振素子の熱分布が発振特性に与える影響の観測 (2017)
  • Author(s): 渡邉千春
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府 豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17
  • Invited
• [Presentation] The heating effect of high-T_c superconducting THz emitting device on the emission character (2016)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Kashiwagi, T. Yuasa, T. Tanaka, Y. Komori, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • Organizer: Plasma+ 2016 The 10th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-T_c superconductors
  • Place of Presentation: Univ. of Nanjing, Nanjing, China
  • Year and Date: 2016-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PL発光を生じる半導体薄膜による高温超伝導体THz波発振デバイスの新規温度分布観測 (2016)
  • Author(s): 渡邉千春, 南英俊, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 湯浅拓実, 田中大河, 小守優貴, 辻本学, 柏木隆成, Richard Klemm, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス (石川県 金沢市)
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Bi2212高温超伝導体単独メサデバイスの温度分布測定 (2016)
  • Author(s): 渡辺千春，南英俊，北村健郎，柴野雄紀，幸良彦，久保裕之，坂本和輝，桂川拓也，湯浅拓実，田中大河，小守優貴，柏木隆成，R. A. Klemm，門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 (宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] The emission mechanism of THz electromagnetic waves from Bi2212 mesa device (2016)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takeo Kitamura, Takanari Kashiwagi, R. A. Klemm, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: APS March Meeting 2016
  • Place of Presentation: Baltimore Convention Center, Baltimore, MD, USA
  • Year and Date: 2016-03-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The study of High-T_c superconducting THz emitting devices and its heating effect. (2016)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takuya Katsuragawa, Yuki Komori, Yuasa Takumi, Taiga Tanaka, Takanari Kashiwagi, Richard A. Klemm and Kazuo Kadowaki
  • Organizer: Tsukuba International Conference on Materials Science (TICMS)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center (エポカルつくば) (Tsukuba, Ibaraki, Japan)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The effect of temperature distribution of the Bi2212 THz emitting devices on the emission characteristics (2015)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, H. Minami, T. Kitamura, Y. Saiwai, Y. Shibano, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, Y. Komori, T. Kashiwagi, R. A. Klemm, K. Kadowaki
  • Organizer: The 8th East Asian Symposium on Superconductive Electronics
  • Place of Presentation: Daejeon, Korea
  • Year and Date: 2015-11-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高温超伝導帯THz波発振デバイス内に生じた電位分布が発振周波数特性に与える影響 (2015)
  • Author(s): 渡邉千春, 南英俊, 北村健郎, 榎本拓真, 幸良彦, 柴野雄紀, 桂川拓也, 久保裕之, 坂本和輝, 山本卓A, 柏木隆成, R. A. Klemm, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学 (大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-25
• [Presentation] THz waves emitted from the Josephson junctions (2015)
  • Author(s): Chiharu Watanabe, H. Minami, T. Kitamura, Y. Saiwai, Y. Shibano, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, Y. Komori, T. Kashiwagi, R. A. Klemm, K. Kadowaki
  • Organizer: Interdisciplinary Workshop on Science and Patents 2015
  • Place of Presentation: University Hall, University of Tsukuba
  • Year and Date: 2015-09-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A role of temperature inhomogeneity and hot-spot formation on the THz emission from high Tc superconducting intrinsic Josephson junction mesa devices (2015)
  • Author(s): 渡辺千春, 南英俊, 北村健郎, 浅沼健太郎, 中出蔵馬, 安居昴紀, 幸良彦, 柴野雄紀, 山本卓, 柏木隆成, 門脇和男
  • Organizer: APS March meeting 2015
  • Place of Presentation: Henry B. Gonzalez Convention Center, San Antonio, TX, USA
  • Year and Date: 2015-03-05
• [Presentation] The effect of temperature distribution on THz emission from high-Tc superconducting THz devices (2014)
  • Author(s): 渡辺千春, 南英俊, 北村健郎, 浅沼健太郎, 中出蔵馬, 安居昴紀, 幸良彦, 柴野雄紀, 山本卓, 柏木隆成, 門脇和男
  • Organizer: The 9th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and THz Plasma Oscillation in High-T_c superconductors
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2014-11-30 – 2014-12-03
• [Presentation] 高温超伝導THz波発振デバイスに生じる 静電ポテンシャル分布の観測 (2014)
  • Author(s): 渡辺千春, 南英俊, 北村健郎, 浅沼健太郎, 中出蔵馬, 安居昴紀, 幸良彦, 柴野雄紀, 山本卓, 柏木隆成, 門脇和男
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-18
• [Remarks] Kadowaki Laboratory
  • URL: http://kadowaki.ims.tsukuba.ac.jp/