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2016 年度 実施状況報告書

高温超伝導体によるテラヘルツ波発振の高周波数化、高強度化と高温化

研究課題

研究課題/領域番号 15K04688
研究機関筑波大学

研究代表者

南 英俊  筑波大学, 数理物質系, 講師 (00190702)

研究分担者 門脇 和男  筑波大学, 数理物質系, 教授 (00272170)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードジョセフソン効果 / テラヘルツ波 / 高温超伝導
研究実績の概要

本研究は、ジョセフソン接合が原子レベルで積層した構造をもつ高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを使うテラヘルツ波発振デバイスの高周波数化、高強度化と動作温度の高温化を目的としている。
今年度は、論文発表を2件、学会発表を12件行った。論文の1件はデバイスの心臓部であるメサ構造内の電位分布を観測したものである。発振周波数はジョセフソン接合にかかる電圧に比例するため、発振特性の理解に直結した研究である。他の1件は三角メサ構造に関する理論的研究であり海外の協同研究者により発表されたものである。学会発表は、発振出力の高強度化に向けたアレイ化とウェットエッチングによる作製の現状、高周波数化と動作温度の高温化に向けた高廃熱構造と、温度分布の測定技術に関する研究などについて報告した。
本年度は、昨年度開始した、高強度化を目指した発振デバイスのアレイ化を中心に研究を進めた。昨年度購入した高精度小型切削機を用いて、アルゴンイオンミリング用および蒸着用のメタルマスクを作製し、アルゴンイオンミリング加工、真空蒸着、スパッタなどにより、発振デバイスの2×7までのアレイを作製した。また、同切削機を用いて、アレイ化した発振デバイス間の電磁気的結合を促進するマイクロストリップ構造を構成するための試料ホルダーを作製し、テラヘルツ波の測定実験を行った。さらに、ウェットエッチングによる発振デバイスの作製法の開発を進め、発振デバイス間の電磁気的結合を高めるためデバイス間の間隔を10 umにまで狭めたアレイの作製に成功した。また、メサ構造内の電位・電流・温度分布観測の研究から得た知見を基に、ジョセフソン接合にかかる電圧を外部から制御することによって発振出力を高強度化する着想を得ることができ研究に着手した。本年度の交付金のほとんどは、アレイ化したデバイスをバイアスするローノイズ電圧・電流ソースの購入に充てた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

発振の高周波数化と動作温度の高温化については一定の成果が出ているが、本研究課題の中で最も重要なテーマと位置づけている高強度化の研究が遅れている。27年度に発振デバイスのアレイ化の研究を開始して以降、作製過程で様々な課題が現れてきた。アレイを作製するために従来よりも大きな結晶を用い、かつ廃熱性を上げるため薄く劈開しなければならないが、大きな結晶を薄く均一に劈開する難しさ、大きな結晶を基板に一様に接着する難しさ、アレイ内の各素子の特性を揃える難しさ、超伝導体基盤部を取り除いたいわゆるスタンドアローンメサ構造での電流リードと素子の間の接触抵抗などの問題に直面した。28年度は作製プロセスの改良に取り組みアレイ内の各素子の特性をかなり揃えることができるようになってきたが、アレイ内素子の協調動作の実証となる発振出力の増強や発振周波数の引き込み現象を確認できていない。

今後の研究の推進方策

発振の高周波数化と動作温度の高温化については一定の成果が出ているので、今年度も昨年度に引き続き、本研究課題の中で最も重要なテーマと位置づけている高強度化の研究に力を注ぐ。発振デバイスのアレイ化と、新しく着想を得たジョセフソン電圧を外部から制御することによる発振出力の高強度化の、2つのアプローチで研究を進める。後者は発振線の高品質化にもつながると考えている。
アレイ化については、4~14のメサ素子からなるアレイの改良を進める。昨年度に引き続き作製プロセスの改良を進め、歩留まりを上げるとともに素子の協調動作に不可欠なアレイ内の各素子の特性を揃えることに努力する。ウェットエッチング法によってデバイス間の間隔を10 umにまで狭めたアレイが作製できるようになってきたので、ウェットエッチング法による研究を加速する。アレイ化した発振デバイス間の電磁気的結合を促進しテラヘルツ波を効率良く取り出すための構造を改良し、協調動作による発振出力の増強を実証する。ジョセフソン電圧の制御については、本研究に最適なデバイス構造を考案し試作するとともに、発振強度と高分解能でスペクトルを測定できる測定システムを構築し、発振出力の増強に向けた研究を推進する。

次年度使用額が生じた理由

今年度の交付金のほとんどを、当初計画していなかったアレイ化したデバイスをバイアスするためのローノイズ電圧・電流ソースの購入に充て測定システムを整備した。これは、アレイ化したメサデバイスの実験研究を始めバイアス系の整備が必要であることが判明したこと、および新しく着手したジョセフソン電圧制御による発振出力の高強度化と発振線の高品質化の研究に高品質電源が必要となったためである。消耗品購入費用、旅費および共用研究設備使用料などは、校費、および本研究課題の研究分担者であり基盤研究(A)(課題番号15H01996)の研究代表者である門脇和男教授、および協同研究者である柏木隆成講師の協力により賄うことができた。このように、交付金の使用計画を大きく変更したため次年度使用額が生じた。

次年度使用額の使用計画

デバイス作製の効率を上げるとともに、アレイ化したデバイスの協調動作の実現に向けた研究、およびジョセフソン接合にかかる電圧を外部から制御する研究をさらに進めるため、金属薄膜を作製する簡易型スパッタ装置を共同研究者らの協力も得て協同購入することを計画している。消耗品費として、発振デバイスを作製するための金メッキアルミナ基板などの資材、超伝導体結晶ミリング用の精密金属マスク、化学薬品、高精度小型切削機用の加工工具など、および発振デバイスと検出器の冷却に必要な液体ヘリウム、液体窒素の購入に充てる予定である。また、研究代表者および大学院生が学会で成果を発表するための旅費の一部を本研究費で賄う。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (12件)

  • [雑誌論文] Cavity mode enhancement of terahertz emission from equilateral triangular microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ2017

    • 著者名/発表者名
      D. P. Cerkoney, C. Reid, C. M. Doty, A. Gramajo, T. D. Campbell, M. A. Morales, K. Delfanazari, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, T. Yamamoto, C. Watanabe, H. Minami, K. Kadowaki and R. A. Klemm
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 29 ページ: 015601-1-15

    • DOI

      10.1088/0953-8984/29/1/015601

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Electrical potential distribution in terahertz-emitting rectangular mesa devices of high-Tc superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+δ2016

    • 著者名/発表者名
      C. Watanabe, H. Minami, T. Kitamura, Y. Saiwai, Y. Shibano, T. Katsuragawa, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Kashiwagi, R. A. Klemm, and K. Kadowaki
    • 雑誌名

      Superconductor Science & Technology

      巻: 29 ページ: 065022-1-9

    • DOI

      10.1088/0953-2048/29/6/065022

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [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Ⅴ2017

    • 著者名/発表者名
      柏木隆成,田中大河,久保裕之,湯浅拓実,渡辺千春,坂本和輝,桂川拓也,小守優貴,太田隆晟,桑野玄気,田邊祐希,中村健人,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72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 高温超伝導体Bi2212THz波発振素子の発熱評価に向けた研究開発2017

    • 著者名/発表者名
      田中大河,柏木隆成,渡辺千春,久保裕之,坂本和輝,桂川拓也,湯浅拓実,小守優貴,田邊祐希,太田隆晟,中村健人,桑野玄気,山本卓,辻本学,南英俊,門脇和男
    • 学会等名
      2017年第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [学会発表] 高温超伝導テラヘルツ波発振デバイスのアレイの作製2017

    • 著者名/発表者名
      南英俊,中村健人,小守優貴,渡辺千春,久保裕之,坂本和輝,桂川拓也,湯浅拓実,田中大河,太田隆晟,田邊祐希,桑野玄気,柏木隆成,辻本学,山本卓,門脇和男
    • 学会等名
      2017年第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [学会発表] Study of radiation intensity characteristics from Bi2Sr2CaCu2O8+δ high-Tc superconducting terahertz emitters2017

    • 著者名/発表者名
      T. Kashiwagi, T. Yuasa, H. Kubo, K. Sakamoto, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, Y. Tanabe, R. Ota, G. Kuwano, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R. A. Klemm, and K.Kadowaki
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2017
    • 発表場所
      New Orleans, Louisiana, USA
    • 年月日
      2017-03-13 – 2017-03-17
  • [学会発表] Effect of stripline electrodes on coherent terahertz emission from BSCCO intrinsic Josephson junctions2017

    • 著者名/発表者名
      M. Tsujimoto, G. Kuwano, C. Watanabe, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, Y. Komori, R. Ota, Y. Tanabe, K. Nakamura, T. Kashiwagi, H. Minami, K.Kadowaki, T. Doi, A. Elarabi, and I. Kakeya
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2017
    • 発表場所
      New Orleans, Louisiana, USA
    • 年月日
      2017-03-13 – 2017-03-17
  • [学会発表] Terahertz emission from pie-shaped wedge microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ2017

    • 著者名/発表者名
      Q. Wang, C. Doty, R. Klemm, K. Delfanazari, D. Cerkoney, T. Yamamoto, M. Tsujimoto, K. Kadowaki, C. Watanabe, H. Minami, T. Kashiwagi, and M. Morales
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2017
    • 発表場所
      New Orleans, Louisiana, USA
    • 年月日
      2017-03-13 – 2017-03-17
  • [学会発表] Cavity mode enhancement of terahertz emission from equilateral triangular microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ2017

    • 著者名/発表者名
      C. Doty, D. Cerkoney, A. Gramajo, T. Campbell, C. Reid, M. Morales, K. Delfanazari, T. Yamamoto, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, C. Watanabe, H. Minami, K. Kadowaki and R. A. Klemm
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2017
    • 発表場所
      New Orleans, Louisiana, USA
    • 年月日
      2017-03-13 – 2017-03-17
  • [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(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [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Ⅳ2016

    • 著者名/発表者名
      柏木隆成,湯浅拓実, 渡邉千春,久保裕之,坂本和輝,桂川拓也,田中大河,小守優貴,太田隆晟,桑野玄気,田邊祐希,中村健人,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2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いたTHz波発振素子における発振強度の厚さ依存性に関する研究2016

    • 著者名/発表者名
      湯浅拓実, 柏木隆成,渡邉千春,久保裕之,坂本和輝,桂川拓也,小守優貴,田中大河,太田隆晟,桑野玄気,田邊祐希,中村健人,辻本学,山本卓,南英俊,門脇和男
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 円盤型単独メサ構造を用いたBi2Sr2CaCu2O8+δ固有ジョセフソン接合によるTHz波発振素子の開発Ⅱ2016

    • 著者名/発表者名
      坂本和輝,柏木隆成,久保裕之,渡邉千春,桂川拓也,田中大河,湯浅拓実, 小守優貴,太田隆晟,桑野玄気,田邊祐希,中村健人,山本卓,辻本学,南英俊,門脇和男
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 高温超伝導体を用いたテラヘルツ波発振素子のウェットエッチング法による作製2016

    • 著者名/発表者名
      小守優貴,柴野雄紀,南英俊,渡邉千春,桂川拓也,久保裕之,坂本和輝,田中大河,湯浅拓実, 中村健人,太田隆晟,桑野玄気,田邊祐希,柏木隆成,辻本学,門脇和男
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16

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公開日: 2018-01-16  

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