ジョセフソン効果と量子ホール効果を基準とした熱力学温度測定技術の開発

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22246013
• 研究機関: 独立行政法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 浦野 千春 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (30356589)
• 研究分担者: 福山 康弘 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (00357899) ; 山田 隆宏 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (00377871) ; 丹波 純 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 研究科長 (10357494) ; 堂前 篤志 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (20357552) ; 山澤 一彰 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 研究室長 (30306873) ; 金子 晋久 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 研究科長 (30371032) ; 丸山 道隆 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (30415947) ; 大江 武彦 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 主任研究員 (30443170)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: SI単位 / 基礎定数 / ボルツマン定数 / 熱雑音 / 揺動散逸定理 / 熱力学温度 / ジョセフソン効果 / 量子電圧雑音源

研究実績の概要

昨年度までの熱雑音の測定において、測定から求めたボルツマン定数の値に100ppmオーダーのオフセットが常に観測されていた。本年度は装置を構成する全ての要素に対し、オフセットの原因を徹底的に調査した。調査した項目は主なものでも47項目に上る。具体的には、信号のクロストーク、インピーダンスマッチング、増幅器の発振や飽和、抵抗温度プローブの熱流入、などである。その結果、いくつか重大な問題が見つかった。例えば、抵抗温度プローブおよび量子電圧雑音源それぞれについて、２つの信号読み取りチャンネル間に高周波帯においては100ppmの桁に影響を与えるクロストークがあることが判明した。クロストークは信号線のシールドを強化することにより問題ないレベルに抑えることができた。また、アンプの非線形歪みを調べる過程で、量子電圧雑音源用ジョセフソン接合素子に含まれる２つのジョセフソン接合アレーから出ている信号の強度が異なって見えていることが分かった。これは素子作製プロセス上の問題で、素子上に作製した抵抗の抵抗値にバラつきがあることが原因と判明した。この問題はプロセスを改善することにより影響を低減させた。その他、抵抗温度プローブについては熱流入により、抵抗温度計の抵抗値が増加していたことが判明し、熱流入が少ないケーブルに交換した。このように、オフセットの原因となりうると判明した点に関しては、可能な限り対策を取り、数日間同一条件でデータを蓄積し、ボルツマン定数を評価した。現時点では、測定から求めたボルツマン定数のCODATA値からのズレは60ppm程度となっている。
ボルツマン定数測定の進捗状況については、Fundamental Constant Meeting 2015 (Berlin, 2015年2月）、電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会）等で発表した。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Design and test of component circuits of an integrated quantum voltage noise source for Johnson noise thermometry (2015)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yamada, Masaaki Maezawa, Chiharu Urano
  • 雑誌名: Physica C: Superconductivity and its Applications 巻: 印刷中 ページ: 未定
  • DOI: 10.1016/j.physc.2015.02.046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Boltzmann ConstantMeasurements Using QVNS-Based Johnson Noise Thermometry at NMIJ, AIST (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yamazawa, C. Urano, T. Yamada, T. Horie, S. Yoshida, H. Yamamori, N. Kaneko, Y. Fukuyama, M. Maruyama, A. Domae, J. Tamba, S. Kiryu
  • 雑誌名: Int J Thermophys 巻: 35 ページ: 985-998
  • DOI: 10.1007/s10765-014-1719-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 量子電圧雑音源を用いたボルツマン定数の精密測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 浦野千春, 山田隆宏, 山澤一彰, 福山康弘, 金子晋久, 丸山道隆, 堂前篤志, 山森弘毅（産総研）, 吉田俊介, 桐生昭吾
  • 雑誌名: 信学技報, vol. 114, no. 147, SCE2014-29, pp. 31-36, 2014年7月. 巻: 114 ページ: 31-36
  • 謝辞記載あり
• [学会発表] 量子電圧雑音源を 用いた熱雑音の精密測定によるボルツマン定数の評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 浦野千春, 吉田俊介, 岡崎雄馬, 山田 隆宏, 山澤一彰, 山森弘毅, 福山康弘, 金子晋久, 丸山道隆, 堂前篤志，丹波純, 桐生昭吾
  • 学会等名: 第６２回 応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学相模キャンパス（神奈川県）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] Design and Test of Component Circuits of an Integrated Quantum Voltage Noise Source for Johnson Noise Thermometry (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, M. Maezawa, C. Urano
  • 学会等名: 27th International Symposium on Superconductivity
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都）
  • 年月日: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [学会発表] 量子電圧雑音源を用いたボルツマン定数の精密測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 浦野千春, 山田隆宏, 山澤一彰, 福山康弘, 金子晋久, 丸山道隆, 堂前篤志, 山森弘毅, 吉田俊介, 桐生昭吾
  • 学会等名: 電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 機械振興会館（東京都）
  • 年月日: 2014-07-23 – 2014-07-23
  • 招待講演