| 研究課題/領域番号 |
18K04185
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| 研究機関 | 仙台高等専門学校 |
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研究代表者 |
林 忠之 仙台高等専門学校, 総合工学科, 教授 (80310978)
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| 研究分担者 |
立木 実 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (50318838)
小森 和範 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (50354296)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | SQUID / SQUID顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / プローブ / 磁束トランス / 磁気像 / 空間分解能 / パーマロイ |
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| 研究実績の概要 |
SQUID磁気顕微鏡と走査トンネル顕微鏡(STM)の特長を併せもったSTM-SQUID顕微鏡において、高透磁率プローブが試料から局所的に集束した磁束を、漏洩することなくSQUID磁気センサに伝達させる新技術を確立し、飛躍的にSQUID磁気センサの検出磁場感度ならびにこれに直結する磁気顕微鏡の空間分解能を向上させる装置開発を進めた。 デザインした新奇な磁束検出機構は、磁束リターンガイドとシームレス（縫目なし）超伝導磁束トランスからなるものである。試料から局所的に磁束を集束するファインなパーマロイプローブに同じパーマロイの磁束リターンガイドを接続して、試料との間に磁気閉回路を構成するデザインを設計した。超伝導テープを素材とする超伝導磁束トランスの片方のループに貫通穴を設けてリターンガイドを貫通させることとし、SQUID磁気センサに他方のループを配置させることとした。
この磁束検出機構を搭載可能なSQUID磁気顕微鏡ヘッドの構成部品である、①現有のSQUID顕微鏡ヘッドの先端部のアクリル製真空窓、②プローブと磁束リターンガイドを真空封止するアクリル部品、③パーマロイプローブ、④パーマロイ磁束リターンガイド、⑤プローブと磁束リターンガイドを磁気的に接続するパーマロイ治具、⑥以上の①から⑤を一体化させる樹脂製ホルダ、以上の設計と製作を完了した。
磁束トランスをSQUIDの面に配置させるために、現有のワイヤタイプのリードアウトコイルから、ポリイミド基板上にパターニングしたコイルに変更して、SQUIDの良好な磁束変調特性を確認した。次年度以降に実施する、結合実験のための簡易的な走査機構とそのLabVIEW制御ソフトウエアを製作し、STMのアプローチ機能まで確認できている。
また、有限要素法シミュレーションにより、磁束リターンガイドの有用性を検証できた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
当該年度の研究計画は、 SQUID顕微鏡ヘッドの設計・製作と、有限要素法解析によるシームレス超伝導磁束トランスと磁束リターンガイドのパフォーマンス検証ならびに最適化形状を調べることにあった。
パーマロイプローブにパーマロイの磁束リターンガイドを接続して、試料との間に磁気閉回路を構成するデザインを設計し、構成するすべての部品を試作することができ、これらを組み立てることで、2019年度の当初計画である液体窒素温度動作の高温超伝導SQUIDをセンサとするSQUID顕微鏡の基本動作の確認にスムーズに移行できるものと思われる。
有限要素法シミュレーションにより、磁束リターンガイドによって試料とプローブとの間が磁気閉回路になることでSQUID磁気センサに伝達される磁束量が従来法よりも増加することを明らかにしており、本研究が今後混沌とすることは排除できていると思われるが、磁束リターンガイドの形状とパフォーマンスの関係を明らかにすることが必要である。一方で、超伝導磁束トランスのパフォーマンスに、超伝導パラメータの設定や境界条件・初期条件の設定に滞ったためシミュレーションの結果は得られていない。トランスの最適化検討については実験をとおして今後進めていくこととした。
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| 今後の研究の推進方策 |
シームレス超伝導磁束トランスと磁束リターンガイドを配置したSQUID顕微鏡ヘッドを開発し、SQUIDの検出感度と空間分解能の評価実験を進める。
2019年度には平成30年度に製作したSQUID顕微鏡ヘッドの構成部品の組み立てを実施してヘッドを完成させる。超伝導磁束トランスについては、トランス単体での評価を実施した後に、ヘッドにマウントして結合実験を開始する。液体窒素温度動作の高温超伝導SQUIDをセンサとするSQUID顕微鏡の基本動作を確認したのち、標準試料によるSQUIDの磁場検出感度を評価し、高温超伝導線材などの液体窒素温度下の試料の微細磁気構造評価を試みる。高温超伝導SQUID顕微鏡の評価を終えたならば2020年度には超伝導薄膜中のボルテックスの高解像描出のために、液体ヘリウム温度動作の低温超伝導SQUIDをセンサとしたSQUID顕微鏡へ発展させる。高温および低温超伝導それぞれについて、本提案の有用性が実験的に確認できたならば、2021年度には走査型トンネル分光法やスピン偏極STMの機能を併せ持つようハイブリット化を行うことを予定している。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究を遂行するにあたり、必要消耗品が当初計画より余剰下。股、超伝導磁束トランスは、プローブと磁束リターンガイドの形状決定後に検討を開始したため、試作に至っておらず、トランス製作費用が余剰した。
次年度のプローブや試料作成のための消耗品および超伝導磁束トランスの製作費に充当する。
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