固有ジョセフソン接合によるテラヘルツ発振デバイスの高機能化と応用開拓

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H01996
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 門脇 和男 筑波大学, 数理物質系(名誉教授), 名誉教授 (00272170)
• 研究分担者: 南 英俊 筑波大学, 数理物質系, 講師 (00190702) ; 柏木 隆成 筑波大学, 数理物質系, 講師 (40381644)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 固有ジョセフソン接合 / THz発振 / ジョセフソン素子 / 高温超伝導体単結晶メサ / THz発振素子

研究実績の概要

2007年に高温超伝導体Bi2212良質単結晶から作成されたメサ構造に直流電圧を印可することで強力な、しかも連続かつコヒーレントなTHz波が放出するという現象を発見した。この画期的な発見に端を発し、1.その発振現象を理解し、機構を解明すること、2.励起されるTHz波と超伝導プラズマ集団励起モードの関係を明らかにすること、3.外部共振器によるTHz波発振器の高性能化・高機能化と内部個別励起状態の研究、4.発熱による熱的な非平衡状態のTHz発振への影響の解明と窒素温度以上でのTHz発振動作を実用化レベルで実現すること、を主な研究目的として2015年4月に研究を開始した。その結果、1.THz波は高温超伝導体に内在する多数積層する固有ジョセフソン接合が交流ジョセフソン効果によってTHz帯域の電磁波を励起し、それがコヒーレントに多数位相同期することによって、積層する固有ジョセフソン接合の枚数の2乗に比例する強力な発振出力で発振するということが分かった。２．発振周波数はメサの形状によって規定される励起モードによって規定され、交流ジョセフソン効果の周波数とこの形状効果による共鳴周波数が一致することでさらに強力なTHz波として放出されること、3.したがって、外形によって決まる共振周波数を外部共振器に置き換えることで、超伝導体の持つ役割と形状効果が持つ共振器の役割を分離することで発振を制御しやすくなると期待されるが、これは最終年度までなかなか実現できなかった。しかし、外部共振器作製技術の向上に伴い、最終年度にこれを完成することができた。4,高発振出力を得るためには発熱を抑え、直流電力からTHz電磁波への変換効率を高める必要があるが、メサ内部に発生するホットスポットなどによる熱散逸の効果を抑制することで80 K、約0.05 ｍW、2.4 THzの発振素子が完成し、実用化まであと一歩に到達した。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

備考

現在更新中

研究成果

• [国際共同研究] University of Cambtridge(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Cambtridge
• [国際共同研究] CUNY Queens College/Argonne National Laboratory/University of Central Florida(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: CUNY Queens College/Argonne National Laboratory/University of Central Florida
• [国際共同研究] University of Tubingen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Tubingen
• [雑誌論文] Mesa Sidewall Effect on Coherent Terahertz Radiation Triggered by Spontaneous Synchronization of Intrinsic Josepshon Junctions in Bi2Sr2CaCu2O8 (2020)
  • 著者名/発表者名: G. Kuwano, M. Tsujimoto, Y. Kaneko, T. Imai, Y. Ono, S. Nakagawa, S. Kusunose, H. Minami, T. Kashiwagi, K. Kadowaki, Y. Simsek, U. Welp and W. -K. Kwok
  • 雑誌名: Phys. Rev. Applied 巻: 13 ページ: 014035
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.014035
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Vibration and Boson Peak Analysis of Glucose Polymers and Ester via Terahertz Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Junlan Zhong, Tatsuya Mori, Yasuhiro Fujii, Takanari Kashiwagi, Wakana Terao, Midori Yamashiro, Hidetoshi Minami, Manabu Tsujimoto, Teruhiko Tanaka, Hidehisa Kawashima, Junko Ito, Masashi Kijima, Masatoshi Iji, Makoto M. Watanabe and Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: Carbohydrate Polymers 巻: 232 ページ: 115789
  • DOI: 10.1016/J.carbpol.2019.115789
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cavity modes in broadly tunable superconducting coherent terahertz sources (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaveh Delfanazari, Richard A. Klemm, Manabu Tsujimoto, Daniel P. Cerkoney, Takashi Yamamoto, Takanari Kashiwagi and Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: IOP Conf. Series: J. Phys.: Conf. Series 巻: 1182 ページ: 012011
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1182/1/012011
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Power enhancement of the high-Tc superconducting terahertz emitter with a modified device structure (2019)
  • 著者名/発表者名: H Minami, Y Ono, K Murayama, Y Tanabe, K Nakamura, S Kusunose, T Kashiwagi, M Tsujimoto and K Kadowaki
  • 雑誌名: IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 巻: 1293 ページ: 012056
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1293/1/012056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Local heating effects on the radiation intensity of high-Tc superconducting terahertz emitters (2019)
  • 著者名/発表者名: K Nakamura, H Minami, R Ota, K Murayama, Y Ono, S Kusunose, T Kashiwagi, M Tsujimoto and K Kadowaki
  • 雑誌名: IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 巻: 1293 ページ: 012057
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1293/1/012057
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observation of a two-mode resonant state in a Bi2Sr2CaCu2O8+ mesa device for terahertz emission (2019)
  • 著者名/発表者名: T, M, Benseman, A. E. Koshelev, V. Vlasko-Vlasov, Y. Hao, U. Welp, W. -K. Kwok, B. Gross, M. Lange, D. Koelle, R. Kleiner, H. Minami, M. Tsujimoto, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 100 ページ: 144503
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.144503
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Superconducting and tetragonal-to-orthorhombic transitions in single crystals of FeSe1-xTex for x 0.61 (2019)
  • 著者名/発表者名: Kotaro Terao, Takanari Kashiwagi, Tomoyuki Shizu, Richard A. Klemm and Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 ページ: 224516
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.224516
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Terahertz Radiation from the High-Tc Superconductor Intrinsic Josephson Junctions Coupled to an External Resonator (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ono, H. Minami, G. Kuwano, S. Kusunose, T. Imai, Y. Kaneko, S. Nakagawa, T. Kashiwagi, M. Tsujimoto, and K. Kadowaki
  • 雑誌名: proceeding, IEEE 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874054
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] High Resolution and High Sensitivity Molecular Spectroscopy Using THz Emitters of High-Tc Superconducting Bi2212 Mesa Structures (2019)
  • 著者名/発表者名: 1.K. Kadowaki, J-L. Zhong, T. Ohta, Y. Tanabe, K. Murayama, K. Nakamura, G. Kuwano, T. Imai, T. Shimizu, S. Ohtsuki, Y. Ono, S. Kusunose, S. Nakagawa, M. Tsujimoto, H. Minami, T. Kashiwagi and T. Yamamoto
  • 学会等名: XVIIth International Workshop on Vortex Mater in Superconductors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of High-Tc Superconducting THz Emitters (2019)
  • 著者名/発表者名: 2.T. Kashiwagi, S. Nakagawa, T. Imai, G. Kuwano, Y. Kaneko, Y. Ono, S. Kusunose, T. Yamamoto, H. Minami, M. Tsujimoto and K. Kadowaki
  • 学会等名: 44th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves IRMMW-THz 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Filling and Bridging the THz Gap Using High-Tc Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+ Intrinsic Josephson Emitters (2019)
  • 著者名/発表者名: 3.Kazuo Kadowaki, Yukino Ono, Genki Kuwano, Takayuki Imai, Yota Kaneko, Shungo Nakagawa, Shinji Kusunose, Takanari Kashiwagi, Manabu Tsujimoto, Hidetoshi Minami, and Richard A. Klemm
  • 学会等名: 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of High-Tc Superconducting THz Emitters (2019)
  • 著者名/発表者名: 4.T. Kashiwagi, S. Nakagawa, T. Imai, G. Kuwano, Y. Kaneko, Y. Ono, S. Kusunose, T. Yamamoto, H. Minami, M. Tsujimoto, and K. Kadowaki
  • 学会等名: Materials Research Meeting (MRM2019), Materials Innovation for Sustainable Development Goals
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 超伝導による連続THz波の発振と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柏木隆成, 門脇和男
  • 総ページ数: 5
  • 出版者: 応用物理学会
• [図書] 高温超伝導の若きサムライたち (2019)
  • 著者名/発表者名: 2.門脇和男
  • 総ページ数: 32
  • 出版者: アグネ技術センター出版
• [産業財産権] 基板構造体、支持構造体、薄膜素子の応用デバイス、テラヘルツ帯域電磁波素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置 (2019)
  • 発明者名: 柏木隆成，門脇和男,南英俊，尾内敏彦，吉住昭治
  • 権利者名: 柏木隆成，門脇和男,南英俊，尾内敏彦，吉住昭治
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-128660
• [産業財産権] 構造体，テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振素子の動作方法 (2019)
  • 発明者名: 柏木隆成，尾内敏彦，吉住昭治，南英俊，門脇和男
  • 権利者名: 柏木隆成，尾内敏彦，吉住昭治，南英俊，門脇和男
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-147331
• [産業財産権] 構造体、テラヘルツ帯域電磁波発振素子及びテラヘルツ帯域電磁波発振装置 (2019)
  • 発明者名: 南英俊、大野雪乃、門脇和男、柏木隆成、辻本学
  • 権利者名: 南英俊、大野雪乃、門脇和男、柏木隆成、辻本学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-160094