高温超伝導体テラヘルツ波発振器の高出力化

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K20897
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 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 – 2017-03-31
• キーワード: ジョセフソン接合 / 高温超伝導体 / マイクロ波・テラヘルツ波 / ナノ・マイクロデバイス

研究実績の概要

高温超伝導体を用いたテラヘルツ帯の発振素子の高出力化を目指し研究を進めた。発振素子は，Bi2Sr2CaCu2O8+d(Bi2212)単結晶をメサ構造に加工したものである。Bi2212単結晶に自然に内包される多重ジョセフソン接合におけるジョセフソン効果が電磁波発生の起源である。電磁波を取り出すためには，このメサ構造に直流電流・電圧を印加する必要がある。ただし，素子動作時の自己発熱が発振特性に影響を及ぼすことが最近分かってきた。
よってこの自己発熱を抑制するため，メサ構造下部に残る超伝導基板を排除した「単独メサ構造」の作製方法の開発・改良，及び単独メサ構造からの熱を効率良く逃がす高排熱素子構造の改良等を中心に行った。様々な形状・サイズのBi2212単独メサ構造を作製し，高排熱素子構造を用いて素子の発振特性を評価した。
発振強度の最大値は現時点でも数～数十マイクロワットレベルである。ただ，いくつかの特定の周波数で大きく発振出力が増強されることや，動作する接合総数の調整により発振出力が変化する振る舞いなど，高強度化に向けた指針も得られている。よって，これらの点にも着目しながら今後も研究を進める。
一方，発振周波数に関して大きな進展が得られた。最も高い周波数として，矩形型メサでは1.6 THz，正方形型メサ構造では1.6 THz，円盤型メサでは2.4 THz程度の発振を得ることに成功した。これは，これまでBi2212を用いた発振素子で報告のあった周波数より2倍以上向上したことに相当する。また，素子温度を調整することで発振周波数を広く調整する事が可能であり，例えば円盤素子では，0.5～2.4 THzまでの周波数が一つの素子から得られた。これは，開発している発振素子が連続波発振器でありながら，テラヘルツ帯の広範囲にわたって発振周波数をカバーできる点で大きな利用価値がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

高排熱構造を用いた発振素子により，発振強度を特徴づける性質を複数観測できている点や，発振周波数領域の格段の向上など，開発する発振素子の性能が確実に向上しており，順調に進展している。

今後の研究の推進方策

H28年度は，評価サンプル数の絶対数を増やし発振強度の限界値を確認すること，及び発振素子の作製の技術，及び高排熱構造の改良を進め出力の向上を目指す。また複数素子の同時動作などによる出力向上なども試みる。

研究成果

• [雑誌論文] Applications using high-Tc superconducting terahertz emitters (2016)
  • 著者名/発表者名: Kurama Nakade, Takanari Kashiwagi, Yoshihiko Saiwai , Hidetoshi Minami, Takashi Yamamoto, Richard A. Klemm & Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 23178-1-8
  • DOI: 10.1038/srep23178
  • 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] Cavity mode identification for coherent terahertz emission from high-Tc superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: Manabu Tsujimoto, Itsuhiro Kakeya, Takanari Kashiwagi, Hidetoshi Minami, and Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 24 ページ: 4591-4599
  • DOI: 10.1364/OE.24.004591
  • 査読あり
• [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 ページ: 054018-1-16
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.4.054018
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [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: Takanari Kashiwagi, Kazuki Sakamoto, Hiroyuki Kubo, Yuuki Shibano, Takuma Enomoto, Takeo Kitamura, Kentaro Asanuma, Takaki Yasui, Chiharu Watanabe, Kurama Nakade, Yoshihiko Saiwai, Takuya Katsuragawa, Manabu Tsujimoto, Ryozo Yoshizaki, Takashi Yamamoto, Hidetoshi Minami, Richard A. Klemm, and Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 ページ: 082601-1-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Stand-alone型HTS-THz波発振デバイスの作製と発振特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 南 英俊、渡辺 千春、小守 優貴、北村 健郎、柴野 雄紀、久保 裕之、坂本 和輝、幸 良彦、桂川 拓也、柏木 隆成、山本 卓、門脇 和男
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東工大 (東京都目黒区)
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [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会
  • 発表場所: 東工大 (東京都目黒区)
  • 年月日: 2016-03-19 – 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
  • 発表場所: 東北学院大学 (宮城県仙台市)
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [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
  • 発表場所: 東北学院大学 (宮城県仙台市)
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [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, K. Kadowaki
  • 学会等名: APS March Meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore (U.S.A)
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-18
• [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II (2015)
  • 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, 辻本学，山本卓，吉崎亮造，南英俊，門脇和男
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学(大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [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, 柏木隆成, R. A. Klemm, 門脇和男
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学(大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 固有ジョセフソン接合系Bi2Sr2CaCu2O8+δ単独メサ構造によるテラヘルツ波発振II (2015)
  • 著者名/発表者名: 北村健郎, 柏木隆成, 辻本学， 渡辺千春, 柴野雄紀, 幸良彦, 久保裕之, 坂本和輝, 桂川拓也, 山本卓, 南英俊, 門脇和男
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学(大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [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 (2015)
  • 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、榎本 拓真、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • 学会等名: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] 高温超伝導体Bi2212の新しい単独メサ構造作製法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 柴野 雄紀、柏木 隆成、北村 健郎、渡辺 千春、幸 良彦、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、榎本 拓真、南 英俊、門脇 和男
  • 学会等名: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] 高温超伝導体Bi2212 THz発振素子の応用化に向けた開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 幸 良彦、柏木 隆成、中出 蔵馬、北村 健郎、渡辺 千春、柴野 雄紀、久保 裕之、坂本 和輝、桂川 拓也、田中 大河、小守 優貴、湯浅 拓実、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • 学会等名: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [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発振素子の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 坂本 和輝、柏木 隆成、久保 裕之、北村 健郎、渡邊 千春、榎本 拓真、幸 良彦、柴野 雄紀、桂川 拓也、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • 学会等名: 第76回 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [備考] 筑波大学門脇研究室HP
  • URL: http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~Kadowaki_lab/index.html