研究課題
本研究は、超伝導体－絶縁体－超伝導体(SIS)接合の新たな可能性を見出すために、周波数アップコンバータとしての性能を明らかにし、さらに低雑音かつ低消費電力で動作する世界初のSISミキサによるマイクロ波増幅器へ応用することを目指したものである。初年度の2018年度にTuckerの量子論的ミキシング理論を周波数アップコンバージョンに適用したシミュレータの構築、SISアップコンバータの設計・解析に必要な接合容量などのパラメータの実験的導出、さらにネットワークアナライザを用いたミリ波帯SISアップコンバータ実験系を整備した。2019年度は、本ミリ波帯実験系を用いて、国立天文台で作製したNb/AlOx/Nb接合のアップコンバージョン特性について測定を行い、世界で初めてSISアップコンバータ単体における周波数変換利得の実験的観測に成功した。最終年度である2020年度には、マイクロ波からミリ波へのSISアップコンバータの利得を利用し、逆過程のSISダウンコンバータを縦続接続することで、マイクロ波増幅器としての特性評価を行った。その結果、10 dB以上の利得が観測され、また雑音温度は10 K以下と従来の冷却半導体増幅器と同程度な低雑音特性が得られた。増幅器全体の消費電力は約1μWと算出され、mW級の半導体増幅器に比べ格段に低い消費電力を実現できる可能性を明らかにした。利得と雑音温度について、両コンバータのバイアス電圧依存性を求めた結果、ダウンコンバータは従来と同様である一方、アップコンバータはバイアス点の微分抵抗値が入力負荷の同軸系インピーダンス(50 Ω)となる付近において最大利得と最小雑音温度が得られることを見出した。このことから、SISアップコンバータの入力インピーダンス整合が、増幅器の低雑音性能を引き出す重要な鍵の一つであり、今後のさらなる高性能化への有益な設計指針が得られた。
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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