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

• 研究課題/領域番号: 14J03097
• 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: 物性II(実験)
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 渡邉 千春 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2016年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2015年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2014年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

28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

28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 Enhancement of Terahertz Emission from Equilateral Triangular Microstrip Antennas of the High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter 巻: 29 号: 1 ページ: 015601-015601
  • DOI: 10.1088/0953-8984/29/1/015601
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrical Potential Distribution in Terahertz-Emitting Rectangular Mesa Device of High-T_c Superconducting Bi_2Sr_2CaCu_2O8+d (2016)
  • 著者名/発表者名: Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takeo Kitamura, Yoshihiko Saiwai, Yuki Shibano, Takuya Katsuragawa, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takanari Kashiwagi, Richard A Klemm and Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: Supercond. Sci. Tech 巻: -
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 0.43 THz emission from high-Tc superconducting emitters optimized at 77 K (2015)
  • 著者名/発表者名: Minami H, Watanabe C, Kashiwagi T, Yamamoto T, Kadowaki K, Klemm A R
  • 雑誌名: J. Physics: Condensed Matter 巻: 28 ページ: 025701-025701
  • 査読あり / 国際共著 / 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: 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
  • 雑誌名: Phys. Rev. Appl. 巻: 4 ページ: 054018-054018
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A high-T_c intrinsic Josephson junction emitter tunable from 0.5 to 2.4 terahert (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 107 ページ: 082601-082601
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Current Filamentation in Large Bi_2Sr_2CaCu_2O8_{8+d} Mesa Devices Observed via Luminescent and Scanning Laser Thermal Microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Phys. Rev. Appl. 巻: 3 ページ: 044017-044017
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of the local heating position on the terahertz emission power from high-T_c superconducting Bi_2Sr_2CaCu_2O_8+ δ mesas (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 号: 4 ページ: 042603-042603
  • DOI: 10.1063/1.4906768
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 号: 9 ページ: 092601-092601
  • DOI: 10.1063/1.4914083
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: C. Watanabe, H. Minami, T. Yamamoto, T. Kashiwagi, R. A. Klemm and K. Kadowaki
  • 雑誌名: J. Phys. Condense Matter 巻: 26 号: 17 ページ: 172201-172201
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/17/172201
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Broadly tunable, high-power terahertz radiation up to 73 K from a stand-alone Bi_2Sr_2CaCu_2O_8+δ mesa (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 105 号: 20 ページ: 202603-202603
  • DOI: 10.1063/1.4902336
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉千春
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府 豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] The heating effect of high-T_c superconducting THz emitting device on the emission character (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Plasma+ 2016 The 10th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-T_c superconductors
  • 発表場所: Univ. of Nanjing, Nanjing, China
  • 年月日: 2016-10-09
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県 金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Bi2212高温超伝導体単独メサデバイスの温度分布測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 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: 2016-03-19
• [学会発表] The emission mechanism of THz electromagnetic waves from Bi2212 mesa device (2016)
  • 著者名/発表者名: Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takeo Kitamura, Takanari Kashiwagi, R. A. Klemm, Kazuo Kadowaki
  • 学会等名: APS March Meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore Convention Center, Baltimore, MD, USA
  • 年月日: 2016-03-14
  • 国際学会
• [学会発表] The study of High-T_c superconducting THz emitting devices and its heating effect. (2016)
  • 著者名/発表者名: Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takuya Katsuragawa, Yuki Komori, Yuasa Takumi, Taiga Tanaka, Takanari Kashiwagi, Richard A. Klemm and Kazuo Kadowaki
  • 学会等名: Tsukuba International Conference on Materials Science (TICMS)
  • 発表場所: Tsukuba International Congress Center (エポカルつくば) (Tsukuba, Ibaraki, Japan)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The effect of temperature distribution of the Bi2212 THz emitting devices on the emission characteristics (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 8th East Asian Symposium on Superconductive Electronics
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2015-11-04
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 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: 2015-09-25
• [学会発表] THz waves emitted from the Josephson junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Interdisciplinary Workshop on Science and Patents 2015
  • 発表場所: University Hall, University of Tsukuba
  • 年月日: 2015-09-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A role of temperature inhomogeneity and hot-spot formation on the THz emission from high Tc superconducting intrinsic Josephson junction mesa devices (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: APS March meeting 2015
  • 発表場所: Henry B. Gonzalez Convention Center, San Antonio, TX, USA
  • 年月日: 2015-03-05
• [学会発表] The effect of temperature distribution on THz emission from high-Tc superconducting THz devices (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and THz Plasma Oscillation in High-T_c superconductors
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-03
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季大会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-18
• [備考] Kadowaki Laboratory
  • URL: http://kadowaki.ims.tsukuba.ac.jp/