固有ジョセフソン接合系の同期メカニズム解明とコヒーレントテラヘルツ光源への応用

• 研究課題/領域番号: 13J04811
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: マイクロ・ナノデバイス
• 研究機関: 筑波大学 (2015); 京都大学 (2013-2014)
• 研究代表者: 辻本 学 筑波大学, 数理物質系, 助教
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 9,420千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 1,620千円); 2015年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2014年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2013年度: 2,400千円 (直接経費: 2,400千円)
• キーワード: 高温超伝導体 / 固有ジョセフソン接合 / ジョセフソン効果 / テラヘルツ波 / テラヘルツ光源 / 超伝導 / 銅酸化物高温超伝導体 / テラヘルツ / 連続光源 / ビスマス系高温超伝導体 / 単結晶 / テラヘルツイメージング

研究実績の概要

銅酸化物高温超伝導体の固有ジョセフソン接合を使った小型コヒーレントテラヘルツ光源の実現に向けて、固有ジョセフソン接合系の位相同期メカニズム解明に臨んだ。利便性の高いテラヘルツ光源の実現は、材料科学、生命科学、環境科学、医療、薬学など、幅広い分野の発展促進につながる。
本年度は主に次に挙げた２つの課題に着手した：（１）元素置換技法を用いた周波数特性の改善、および（２）電磁界シミュレータを使った空洞共振モード同定手法の確立である。（１）では、構成元素の一部を鉛に置換した高温超伝導体単結晶を用いて初めてテラヘルツ発振に成功した。鉛置換で大型単結晶の育成が容易になることは工業的な利点である。発生したテラヘルツ波の周波数をFT-IR分光で調べたところ、置換による実効的な屈折率変化が約80％の高周波発振を引き起こすことがわかった。元素置換技法は材料研究の観点からも画期的であり、今後鉛以外の元素を導入することでさらなる素子性能の多様化が期待できる。（２）の研究では、テラヘルツ波の強度および偏波特性はバイアス掃引によって自在に制御できることを示し、光源の設計指針として重要な知見を得ることができた。
研究成果は、英国物理学会のSuperconductor Science and Technology誌および米国光学会のOptics Express誌に筆頭論文として掲載されている。国内の学術雑誌においては解説記事１編が掲載された。国際学会では１件の口頭発表、国内学会では４件の口頭発表と１件のポスター発表を行った。光源のパッケージ化技術に関する発明では１件の特許出願を行った。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Cavity mode identification for coherent terahertz emission from high-Tc superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, I. Kakeya, T. Kashiwagi, H. Minami, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 24 号: 5 ページ: 4591-4599
  • DOI: 10.1364/oe.24.004591
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A high- Tc intrinsic Josephson junction emitter tunable from 0.5 to 2.4 terahertz (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kashiwagi, K. Sakamoto, H. Kubo, Y. Shibano, T. Enomoto, T. Kitamura, K. Asanuma, T. Yasui, C. Watanabe, K. Nakade, Y. Saiwai, T. Katsuragawa, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 号: 8
  • DOI: 10.1063/1.4929715
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Terahertz emission from a stack of intrinsic Josephson junctions in Pb-doped Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, Y. Maeda, H. Kambara, A. Elarabi, Y. Yoshioka, Y. Nakagawa, Y. Wen, T. Doi, H. Saito, and I. Kakeya
  • 雑誌名: Superconductor Science and Technology 巻: 28 号: 10 ページ: 105015-105015
  • DOI: 10.1088/0953-2048/28/10/105015
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficient Fabrication of Intrinsic-Josephson-Junction Terahertz Oscillators with Greatly Reduced Self-Heating Effects (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kashiwagi, T. Yamamoto, H. Minami, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, K. Delfanazari, T. Kitamura, C. Watanabe, K. Nakade, T. Yasui, K. Asanuma, Y. Saiwai, Y. Shibano, T. Enomoto, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, B. Markovic, J. Mirkovic, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 4 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.4.054018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 高温超伝導体からのコヒーレントな連続テラヘルツ波の発生 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻本学
  • 雑誌名: 京都大学低温物質科学研究センター誌 巻: 27 ページ: 10-18
  • NAID: 120005825913
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic control of temperature distributions in stacks of intrinsic Josephson junctions in Bi2Sr2CaCu2O8+δ for intense terahertz radiation (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, H. Kambara, Y. Maeda, Y. Yoshioka, Y. Nakagawa, and I. Kakeya
  • 雑誌名: Phys. Rev. Applied 巻: 2 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.2.044016
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Imaging of local temperature distributions in mesas of high-Tc superconducting terahertz sources (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, H. Kambara, Y. Maeda, Y. Yoshioka, Y. Nakagawa, and I. Kakeya
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 568 号: 2 ページ: 022048-022048
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/2/022048
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Computed tomography image using sub-terahertz waves generated from a high-T_c superconducting intrinsic Josephson junction oscillator (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kashiwagi, K. Nakade, Y. Saiwai, H. Minami, T. Kitamura, C. Watanabe, K. Ishida, S. Sekimoto, K. Asanuma, T. Yasui, Y. Shibano, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, B. Markovic, J. Mirkovic, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 104 号: 8
  • DOI: 10.1063/1.4866898
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reflection type of terahertz imaging system using a high-T_(c) superconducting oscillator (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kashiwagi, K. Nakade, B. Markovic, Y. Saiwai, H. Minami, T. Kitamura, C. Watanabe, K. Ishida, S. Sekimoto, K. Asanuma, T. Yasui, Y. Shibano, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, J. Mirkovic, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 104 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.4861602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz Oscillating Devices Based Upon the Intrinsic Josephson Junctions in a High Temperature Superconductor (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Delfanazari, H. Asai, M. Tsuiimoto, T. Kashiwagi, T. Kitamura, K. Ishida, C. Watanabe, S. Sekimoto, T. Yamamoto. H. Minami, M. Tachiki, R. A. Klemm, T. Hattori, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves 巻: 35 号: 1 ページ: 131-146
  • DOI: 10.1007/s10762-013-0027-y
  • 査読あり
• [学会発表] Bi-2223固有ジョセフソン接合を使ったテラヘルツ発振の検証 (2016)
  • 著者名/発表者名: 辻本学，斉藤寛，土居卓司，温一凡，Asem Elarabi，掛谷一弘，足立伸太郎，渡辺孝夫
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振特性III (2016)
  • 著者名/発表者名: 柏木隆成，北村健郎，渡辺千春，柴野雄紀，幸良彦，榎本拓真，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，山本卓，吉崎亮造，南英俊，門脇和男
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] 高温超伝導体Bi2212を用いたテラヘルツ波光源のパッケージ化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 土居卓司，辻本学，Elarabi Asem，温一凡，掛谷一弘
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] 高温超伝導体単結晶Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いた正方形型単独メサ構造からのTHz波発振特性II (2016)
  • 著者名/発表者名: 久保裕之，柏木隆成，坂本和輝，北村健郎，渡邊千春，幸良彦，柴野雄紀，桂川拓也，田中大河，湯浅拓実，小守優貴，榎本拓真，辻本学，山本卓，南英俊，門脇和男
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 高温超伝導体Bi2212テラヘルツ光源の多機能化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 掛谷一弘，エララビアセム，温一凡，土居卓司，辻本学
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Terahertz emission from a stack of intrinsic Josephson junctions in Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, I. Kakeya, S. Adachi, T. Watanabe, T. Kashiwagi, H. Minami, and K. Kadowaki
  • 学会等名: 2016 American Physical Society March Meeting
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA
  • 年月日: 2016-03-16
• [学会発表] A high Tc superconducting terahertz emitter operated from 0.5 to 2.4 THz (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kashiwagi, K. Sakamoto, H. Kubo, Y. Shibano, T. Enomoto, T. Kitamura, K. Asanuma, T. Yasui, C. Watanabe, K. Nakade, Y. Saiwai, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R.A. Klemm, and K. Kadowaki
  • 学会等名: 2016 American Physical Society March Meeting
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, USA
  • 年月日: 2016-03-16
• [学会発表] 高温超伝導体を使ったコヒーレントな連続テラヘルツ光源の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻本学，斉藤寛，土居卓司，温一凡，Asem Elarabi，掛谷一弘
  • 学会等名: 第14回低温工学・超伝導若手合同講演会
  • 発表場所: 大阪市立大学文化交流センター（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2015-12-11
• [学会発表] Bi-2212固有ジョセフソン接合テラヘルツ発振におけるストライプ状微細発振構造に関する考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻本学，斉藤寛，土居卓司，温一凡，Asem Elarabi，掛谷一弘
  • 学会等名: 第23回渦糸物理国内会議
  • 発表場所: 休暇村志賀島（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-12-09
• [学会発表] Bi2Sr2CaCu2O8+δ固有ジョセフソン接合からのテラヘルツ波発生におけるストライプ状微細発振構造の起源 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻本学，斉藤寛，土居卓司，温一凡，Asem Elarabi，掛谷一弘，Fabian Rudau，Raphael Wieland，Reinhold Kleiner
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-18
• [学会発表] Bi2Sr2CaCu2O8+δ固有ジョセフソン接合からのコヒーレントな連続テラヘルツ波発生 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻本学，掛谷一弘
  • 学会等名: 京都大学基礎物理学研究所研究会「多自由度と相関効果が生み出す超伝導の新潮流～BCSからBECまで～」
  • 発表場所: 京都大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2015-06-09
• [学会発表] Bi2Sr2CaCu2O8+固有ジョセフソン接合メサ構造における温度分布の動的制御とテラヘルツ発振の同時観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻本学，神原仁志，岸本卓也，温一凡，吉岡佑介，中川裕也，秋山弘樹，卞舜生，為ヶ井強，Fabian Rudau，Raphael Wieland，Reinhold Kleiner，掛谷一弘
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-24
• [学会発表] Dynamic control of temperature distributions in stacks of intrinsic Josephson junctions for intense terahertz emission (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, H. Kambara, T. Kishimoto, Y. Wen, Y. Yoshioka, Y. Nakagawa, and I. Kakeya
  • 学会等名: 6th international workshop on Optical Terahertz Science and Technology
  • 発表場所: アメリカ カリフォルニア州 サンディエゴ
  • 年月日: 2015-03-11
• [学会発表] 高温超伝導体を使った連続可変な小型テラヘルツ光源の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻本学，吉岡佑介，温一凡，岸本卓也，斉藤寛，中川裕也，掛谷一弘
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部平成２６年度第３回講演会「関西発グリーンエレクトロニクス研究の進展」
  • 発表場所: 奈良先端科学技術大学院大学
  • 年月日: 2015-02-27
• [学会発表] Terahertz emission from a stack of intrinsic Josephson junctions in Pb-doped Bi-2212 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, H. Kambara, Y. Maeda, Y. Yoshioka, Y. Nakagawa, and I. Kakeya
  • 学会等名: 9th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and THz Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2014-12-02
• [学会発表] Dynamic control of temperature distributions in stacks of intrinsic Josephson junctions in Bi2Sr2CaCu2O8+δ for intense terahertz radiation (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, H. Kambara, Y. Maeda, Y. Yoshioka, Y. Nakagawa, B. Gross, F. Rudau, R. Kleiner, and I. Kakeya
  • 学会等名: 9th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and THz Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2014-12-01
  • 招待講演
• [学会発表] Bi2Sr2CaCu2O8+δ固有ジョセフソン接合を用いた超伝導テラヘルツ光源の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 辻本学、神原仁志、吉岡佑介、中川裕也、F. Rudau、B. Gross、R. Kleiner、掛谷一弘
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-18
  • 招待講演
• [学会発表] Imaging of local temperature distributions in mesas of high-Tc superconducting terahertz sources (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, Y. Nakagawa, Y. Yoshioka, Y. Kamei, Y. Maeda, and I. Kakeya
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics
  • 発表場所: アルゼンチン ブエノスアイレス
  • 年月日: 2014-08-08
• [学会発表] Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>テラヘルツ光源におけるメサ内温度分布の動的制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: 辻本学、中川裕也、吉岡佑介、亀井裕太、前田圭穂、水田慎吾、掛谷一弘
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 (神奈川県平塚市)
  • 年月日: 2014-03-28
• [学会発表] Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>テラヘルツ光源のメサ内温度分布制御による高出力化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 辻本学、中川裕也、吉岡佑介、亀井裕太、前田圭穂、水田慎吾、掛谷一弘
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学(神奈川県相模原市)
  • 年月日: 2014-03-18
• [学会発表] 2電極を有するBi2212テラヘルツ光源の電流注入調節による特性制御 (2013)
  • 著者名/発表者名: 辻本学、中川裕也、吉岡佑介、亀井裕太、前田圭穂、水田慎吾、掛谷一弘
  • 学会等名: 第21回渦糸物理国内会議
  • 発表場所: 東北大学 (宮城県仙台市)
  • 年月日: 2013-12-13
• [学会発表] 2電極構造を有するBi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>テラヘルツ発振素子による電流注入効果の検証 (2013)
  • 著者名/発表者名: 辻本学、中川裕也、吉岡佑介、亀井裕太、前田圭穂、水田慎吾、掛谷一弘
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2013-09-28
• [学会発表] Coherent emission of terahertz radiation from intrinsic Josephson junctions of high-T_c superconductor Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ> under extreme temperature inhomogeneity (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, T. Kitamura, K. Ishida, S. Sekimoto, C. Watanabe, K. Asanuma, K. Nakade, K, Yasui, T. Yamamoto, T. Kashiwagi, H. Minami, and K. Kadowaki
  • 学会等名: 8th international conference in school format on Vortex Matter in Nanostructured Superconductors
  • 発表場所: ロドス (ギリシャ)
  • 年月日: 2013-09-26
  • 招待講演
• [学会発表] Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>テラヘルツ発振素子の電流注入調節による特性制御 (2013)
  • 著者名/発表者名: 辻本学、中川裕也、吉岡佑介、井裕太、前田圭穂、水田慎吾、掛谷一弘
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学(京都府京田辺市)
  • 年月日: 2013-09-18
• [学会発表] Emission of coherent radiation from twin-electrode high-T_c superconducting THz sources (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, Y. Nakagawa, Y. Yoshioka, Y. Kamei, Y. Maeda, and I. Kakeya
  • 学会等名: The 2nd Workshop on THz radiation from Intrinsic Josephson junctions
  • 発表場所: 筑波大学 (茨城県つくば市)
  • 年月日: 2013-08-30
• [学会発表] Broadly tunable THz wave emission from intrinsic Josephson junctions in Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ> (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Tsuiimoto, K. Delfanazari, T. Kitamura, K. Ishida, S. Sekimoto, C. Watanabe, T. Kashiwagi, H. Minami, K. Kadowaki, T. Yamamoto, R. A. Klemm, and I. Kakeva
  • 学会等名: 14th International Workshop on Vortex Matter in Superconductors
  • 発表場所: 南京市(中国)
  • 年月日: 2013-05-25
  • 招待講演
• [備考] 京都大学ホームページ 研究成果
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2014/141022_1.html
• [備考] 集積機能工学研究室ホームページ
  • URL: http://sk.kuee.kyoto-u.ac.jp/
• [産業財産権] テラヘルツ帯電磁波発振装置 (2015)
  • 発明者名: 辻本学，掛谷一弘
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2015-12-17