高温超伝導体テラヘルツ波発振器の高出力化

2016 年度 実績報告書

• 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 / マイクロ波・テラヘルツ / 高温超伝導体 / ナノ・マイクロデバイス

研究実績の概要

高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+d (Bi2212)の単結晶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行った。具体的には，自己発熱を抑制するためにメサ構造下部に超伝導基板をもたない「単独メサ構造」の作製方法の開発・改良，及び素子発熱を効率的に逃がす高排熱構造素子の開発を行い，形状・サイズの異なる素子の発振特性を詳細に理解し，高出力化に向けた発振素子の設計指針を得ることを目指した。
その結果，1. 発振出力には関しては，数十マイクロワットレベルの発振に必要な条件，2. 発振周波数については，数テラヘルツまでの発振に必要な条件に関する設計指針が得られた。
1. 発振出力には関しては，厚さの異なるメサ構造の発振特性を調べ，素子の厚さの増加とともに出力が増大することを確かめた。これは，素子に含まれる接合総数とアンテナとしてのメサ構造の放射効率が重要であることを意味している。
2. 発振周波数に関しては，素子形状の異なるメサ構造の発振特性の比較から，長方形の素子形状に比べ，円板や正方形の方が2倍程度高い発振周波数が得られた。例えば，円板の素子では0.5-2.4 THzの周波数を一つの素子から得た。これは円板や正方形の方が長方形に比べて接合あたりの印加電圧が大きいことを意味しており，実効的な素子抵抗の違いが周波数範囲の決定に重要であることを意味している。
上記の結果から， 0.3～3 THz程度の周波数領域を１つの発振素子でカバーできるサブミリワットレベルの連続波発振器の実現において重要な情報が得られたと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] The present status of high-Tc superconducting Terahertz Emitters (2017)
  • 著者名/発表者名: Kashiwagi Takanari, Kubo Hiroyuki, Sakamoto Kazuki, Yuasa Takumi, Tanabe Yuuki, Watanabe Chiharu, Tanaka Taiga, Komori Yuki, Ota Ryusei, Kuwano Genki, Nakamura Kento, Katsuragawa Takuya, Tsujimoto Manabu, Yamamoto Takashi, Yoshizaki Ryozo, Minami Hidetoshi, Kadowaki Kazuo, Klemm Richard
  • 雑誌名: Superconductor Science and Technology 巻: - ページ: -
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrical potential distribution in terahertz-emitting rectangular mesa devices of high-Tc superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+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, Kazuo Kadowaki
  • 雑誌名: Superconductor Science and Technology 巻: 29 ページ: 065022
  • 査読あり / 国際共著
• [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 V (2017)
  • 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 豊中キャンパス 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 Bi2212 THz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: 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: 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 emitters. (2017)
  • 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. Klemm, K. Kadowaki
  • 学会等名: APS March meeting 2017
  • 発表場所: New Orleans, Louisiana, USA
  • 年月日: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz emission from pie-shaped wedge microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • 著者名/発表者名: Qing Wang, Constance Doty, Richard Klemm, Kaveh Delfanazari, Daniel Cerkoney, Takashi Yamamoto, Manabu Tsujimoto, Kazuo Kadowaki, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takanari Kashiwagi, Manuel Morales
  • 学会等名: APS March meeting 2017
  • 発表場所: New Orleans, Louisiana, USA
  • 年月日: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of stripline electrodes on coherent terahertz emission from BSCCO intrinsic Josephson junctions (2017)
  • 著者名/発表者名: Manabu Tsujimoto, Genki Kuwano, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takuya Katsuragawa, Taiga Tanaka, Takumi Yuasa, Yuki Komori, Ryusei Ota, Yuuki Tanabe, Kento Nakamura, Takanari Kashiwagi, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Takuji Doi, Asem Elarabi, Itsuhiro Kakeya
  • 学会等名: APS March meeting 2017
  • 発表場所: New Orleans, Louisiana, USA
  • 年月日: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] Cavity mode enhancement of terahertz emission from equilateral triangular microstrip antennas of the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • 著者名/発表者名: Constance Doty, Daniel Cerkoney, Ashley Gramajo, Tyler Campbell, Candy Reid, Manuel Morales, Kaveh Delfanazari, Takashi Yamamoto, Manabu Tsujimoto, Takanari Kashiwagi, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Richard Klemm
  • 学会等名: APS March meeting 2017
  • 発表場所: New Orleans, Louisiana, USA
  • 年月日: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] Development of High-Tc Superconducting Terahertz Emitter (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kashiwagi , H. Kubo, K. Sakamoto, T. Yuasa, Y. Tanabe, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, R. Yoshizaki, H. Minami, and K. Kadowaki
  • 学会等名: The 29th International Symposium on Superconductivity (ISS2016)
  • 発表場所: Tokyo International Forum 東京都千代田区
  • 年月日: 2016-12-13 – 2016-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] Radiation Characteristics of high-T c Superconducting Terahertz Emitter by Using a High Heat-Exhausting Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: Takanari Kashiwagi, Takumi Yuasa, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto , Takuya Katsuragawa, Taiga Tanaka, Yuki Komori, Ryusei Ota, Genki Kuwano, Yuki Tanabe, Kento Nakamura, Manabu Tsujimoto, Takashi Yamamoto, Ryozo Yoshizaki, Hidetoshi Minami, R.A Klemm and Kazuo Kadowaki
  • 学会等名: 10th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (Plasma+ 2016)
  • 発表場所: Nanjing China
  • 年月日: 2016-10-09 – 2016-10-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [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IV (2016)
  • 著者名/発表者名: 柏木隆成, 湯浅拓実, 渡辺千春, 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 角間キャンパス 石川県金沢市
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [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
• [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、渡邊 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
• [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、渡邊 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発振素子の開発II (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂本 和輝、柏木 隆成、久保 裕之、渡辺 千春、桂川 拓也、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、大田 隆晟、桑野 玄気、田辺 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