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

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14J03097
• 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
• 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

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-T_c superconductor Bi_2Sr_2CaCu_2O_{8+δ} (2016)
  • 著者名/発表者名: Daniel P Cerkoney, 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: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 29 ページ: 015601
  • DOI: 10.1088/0953-8984/29/1/015601
  • 査読あり / 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 – 2017-03-20
  • 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 – 2016-10-12
  • 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)
  • 年月日: 2016-09-19 – 2016-09-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [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 – 2016-09-16