| 研究課題/領域番号 |
20K04610
|
|---|
| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
|---|
研究代表者 |
服部 香里 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (10624843)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| キーワード | 単一光子検出器 / 超伝導検出器 / 微弱光イメージング / フラットレンズ / 超伝導転移端センサ |
|---|
| 研究実績の概要 |
超高感度、高波長分解能かつ可視光、近赤外域で一気にスペクトルイメージングを行うための超伝導検出器の研究を行う。超伝導転移端センサ(TES)は、超高感度で可視光、近赤外域の単一光子を一個ずつ分光して検出可能という、既存の検出器にない大きな特徴がある。一方、波長分解能向上についてはまだ開発途上である(近赤外で100 nm、可視光で50 nm)。バイオサンプルからの自家蛍光などをスペクトルを詳細に取得しながらイメージングするには、より高い波長分解能が望ましい。本研究では、波長分解能向上に取り組む。
本研究は、(1)小型TESに高効率で集光できるフラットレンズの開発(2)2 umかそれ以下のサイズの小型TES(3)超伝導転移温度を下げることによる分解能向上の取り組みを行なっている。(3)については、超伝導転移温度(Tc)を従来の300 mKから115 mKまで下げることで、世界最高レベルのエネルギー分解能向上(67 meV)を実現した(K. Hattori et al., Supercond. Sci. Technol. 35 095002 (2022))。
一方で、分解能決定要因を探索したところ、未知のノイズの寄与が既知のノイズと同等程度あることが分かった。既知のノイズを下げるためには、TESの小型化が必要であるが、未知のノイズを下げない限りは分解能が向上しないことが分かった。未知のノイズの寄与の一つとして、フォノンノイズが考えられる。(1)の小型TESは、小型化によってフォノンの収集効率を低下させ、フォノンノイズを増大させるのではないかと考えられる。また、実験からもその可能性が示唆されている。そこで、フォノンノイズを減少させるような新たなデザインのTESを作成する必要があることが分かってきた。
|
| 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
小型TESの作成については、方針を転換した。TESを小型化することでエネルギー分解能を向上させる予定であったが、未知のノイズの発見によって、まずはこの未知のノイズを削減しないと、いくらTESを小型化してもエネルギー分解能は50 meV以下にならないことがわかった。
未知のノイズの原因の一つとして、光子がTESの色々な場所で吸収され、フォノンノイズが増大することが考えられる。そこで、光子をTESの中心に集光する必要である。その方法の一つとしてフラットレンズが挙げられる。フラットレンズの設計を行うためにFinite-Difference Time-Domain(FDTD) 法を用いて三次元の電磁波解析を行った。集光効率を向上させるために、さまざまなデザインのシミュレーションを行なったが、微細加工技術で作成可能な設計を得るのは難しいことがわかった。代わりに、TESの上方に微細加工でアパーチャーを作成することを検討した。このデザインについても、FDTD法によってシミュレーションを行い最適化を行なった。
新規に提案したデザインのTESを2022年度中に作成予定であったが、産総研クリーンルームの休止および再立ち上げが長引き、２０２２年度は素子作成を行うことができなかったため、研究期間を一年延長し、2023年度も継続することとした。
|
| 今後の研究の推進方策 |
新規デザインのTES作成を行う。産総研クリーンルームの装置入れ替えに伴い、新規作成装置に合致したレチクルの作成を行う。また、作成装置に付随するパラメータの条件出しを行い、クリーンルーム停止前と同等の性能のTESを得られるか確かめる。その後、新規デザインのTES作成を行い、分解能が向上するかを確かめる。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
2022年度は産総研クリーンルームを利用できなかったため、素子作成関連の予算を次年度使用とした。
|
