超伝導光子検出器の多画素化のための広帯域・広ダイナミックレンジ読出回路

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23360182
• 研究機関: 独立行政法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 神代 暁 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, 研究グループ長 (60356962)
• 研究分担者: 平山 文紀 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 (10357866) ; 山森 弘毅 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 (00358293) ; 日高 睦夫 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, 上級主任研究員 (20500672) ; 福田 大治 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 (90312991) ; 佐藤 泰 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 (90357153) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 周波数多重回路 / SQUID / 超伝導マイクロ波共振器 / 超伝導転移端検出器

研究概要

2013年度は、多画素超伝導検出器のマイクロ波帯周波数多重読出回路に関する低雑音化とダイナミックレンジ拡大法の原理実証を行った。
1. 低雑音化
昨年度、入力換算雑音電流I_N[A/√Hz]が従来型周波数多重読出回路に比べて約40倍高い（悪い）値にとどまった原因は、動作温度に設定した絶対温度4 Kでの共振器のQ値が約3000と低いことにあった。共振器電極材料を、ニオブ(Nb)に比べ約２倍（16 K）の超伝導転移温度を持つ窒化ニオブ(NbN)で置き換えること により、Q値を５倍化した。また、I_Nの読出回路駆動用マイクロ波パワー依存性の測定結果から、システムの主要雑音源とその寄与度を明らかにし、共振器高Q値化とシステム条件最適化により、I_Nを昨年度の約1/7の31 pA/√Hzに低減することに成功した。さらに、各々の主要雑音源に対し、既存技術導入のみにより実現可能な改善を図ることにより、従来型周波数多重読出回路の報告値に匹敵する5 pA/√Hz以下への低減の見通しを得た。
2. ダイナミックレンジ拡大法の原理実証
2個のSQUIDの非線形な出力信号から直接入力信号を推定する方法を提案した。本方式は、米国の先行研究で提案された磁束変調による線形化法に比べ、同一信号帯域であればマイクロ波搬送波帯域あたりに収容できる画素数を増やすことが期待できる。この独自法に関し、磁束量子以上の大きさの信号を線形化する原理を実証し、今後の改善点を明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

理由

25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

25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] Microwave SQUID Multiplexer for TES Readout (2013)
  • 著者名/発表者名: F. Hirayama, S. Kohjiro, D. Fukuda, H. Yamamori, S. Nagasawa, and M. Hidaka
  • 雑誌名: IEEE Trans. Appl. Supercond. 巻: 23 ページ: 2500405-1, 5
  • DOI: 10.1109/TASC.2012.2237474
  • 査読あり
• [学会発表] Basic Study on Microwave SQUID Multiplexers for TES Readout
  • 著者名/発表者名: S. Kohjiro, F. Hirayama, D. Fukuda, H. Yamamori, S. Nagasawa, M. Hidaka, T. Yamada, and Y. Sato
  • 学会等名: 15th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • 発表場所: California Institute of Technology (USA)
• [学会発表] NbN 薄膜共振器を用いたマイクロ波SQUID の検討
  • 著者名/発表者名: 平山文紀、神代 暁、福田大治、山森弘毅、佐藤 泰、山田隆宏、永沢秀一、日高睦夫
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学（京都）
• [学会発表] マイクロ波共振に基く周波数多重読出
  • 著者名/発表者名: 神代 暁、平山文紀、福田大治、山森弘毅、永沢秀一、日高睦夫
  • 学会等名: 未踏科学技術協会第83回ワークショップ
  • 発表場所: 全日通霞が関ビル（東京）
  • 招待講演
• [学会発表] 複数SQUIDを用いた高速な線形化読み出し方式
  • 著者名/発表者名: 平山文紀、神代 暁、福田大治、山森弘毅、佐藤 泰、山田隆宏、永沢秀一、日高睦夫
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学（神奈川）
• [学会発表] TESのマイクロ波帯周波数多重読出；白色雑音の改善
  • 著者名/発表者名: 神代 暁、平山文紀、山森弘毅、永沢秀一、福田大治、日高睦夫
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会
  • 発表場所: 新潟大学(新潟）
  • 招待講演