2015 Fiscal Year Annual Research Report
固有ジョセフソン接合によるテラヘルツ発振デバイスの高機能化と応用開拓
Project/Area Number |
15H01996
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Research Institution | University of Tsukuba |
Principal Investigator |
門脇 和男 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00272170)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南 英俊 筑波大学, 数理物質系, 講師 (00190702)
柏木 隆成 筑波大学, 数理物質系, 講師 (40381644)
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Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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Keywords | 固有ジョセフソン接合 / THz波発振 / 交流ジョセフソン効果 / ホットスポット / サインゴルドン方程式 |
Outline of Annual Research Achievements |
これまでの実験結果から、THz波の発振にはホットスポットのようなメサ内部の局所的な発熱が大きな影響を与えていることが分かった。これを改善するため、メサの構造をより廃熱性の高い構造に変えた。一つは共同研究者の柏木によって考案された方法で、2つのサファイヤの薄板に線状の電極を蒸着し、メサを両側から挟む方法である。もう一つの方法は、共同研究者の南により考案されたもので、サファイヤの基板に微結晶ダイヤモンドを含むペーストを薄く塗り、両側から挟み込み、さらに液体窒素に浸す方法である。後者の方法では、発振強度の温度変化の最大値が72-73 Kにあることから液体窒素を冷却剤として用いた簡単な発振器の製造が可能になることを意味しており、今後、応用展開が期待される。一方、前者は様々な形状のメサを簡単に交換して測定できるメリットがあることから、直径80ミクロン程度の円盤型メサで測定を行ったところ、低温で強度は弱いが、発振周波数2.4 THzを記録した。これは、固有ジョセフソン素子による発振では最高記録である。 高強度化にはアレイ構造が必要となるが、発熱の問題がさらに深刻化すると予想される。この発熱を最小限にするためサファイヤ基板の構造をメサの形状に合わせて加工することで対応する計画が進行中である。この加工にはH27年度購入した精密NC加工機が用いられている。どのような形状のメサをどのような構造に配列したらよいか、アレイ化には自由度が多いため容易ではない。数値計算などを駆使して、最適な配列方法を模索しているところである。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで、発熱の問題に対して、SiCの微結晶を単結晶メサの表面上に塗布し、紫外線を照射して得られる蛍光強度の温度依存性を測定する独自の方法を開発し開発し、メサの局所的な温度を測定することに成功した。低温では鋭いホットスポットがみられた(H. Minami et al., Phys. Rev. B89, 054503 (2014))。しかし、ホットスポットはTHz波の発振には貢献することはなく、むしろ発振を阻害することが分かった(C. Watanabe et al., J. Phys.: Condens. Matter 26 (2014) 172201, ibid., Appl. Phys. Lett. 106, 042603 (2015).)。この結果は、先行研究の結果と大きく食い違う。特に、Wangら(H. B. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 102, 017006 (2009).)によるLTSLM(低温走査型レーザー顕微鏡)ではホットスポットで観測されたメサの長さ方向の波動現象は我々の測定では全く観測されないし、また、現象の解釈もこの波動現象がTHz波の発振の原因であるとしているが、我々の解釈では縦方向の定在波による発振ではない事は周波数の測定や放射パターンの角度依存性の測定から明らかである。また、Wangら(H. B. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 105, 057002 (2010).)はTHz波の周波数の温度依存性は誘電率の温度依存性のためであるとするが、それは電圧電流特性の温度依存性で十分説明がつくなど、多くの間違いを指摘することが出来た。 これまでの我々の研究によって、THz波発振の機構の概略は交流ジョセフソン効果とメサ自体における空洞共振効果の両者が同時に満たされるとき、強力な発振が得られることが分かった。また、メサの作製工程をKashiwagiら(T. Kashiwagi et al., Appl. Phys. Lett. 107, 082601 (2015).)の様なジグを使い、規格化することによって作成上の再現性を高めることに成功した。これによって、現在、ほぼ100%発振するメサが得られるようになってきている。
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Strategy for Future Research Activity |
デバイス化にとって発振出力は極めて重要である。現状では1単独メサあたり30マイクロワット程度であるが、これをアレイ化して1 mWを超すことが目標である。 高強度化はアレイ化による複数メサの協調動作が不可欠であるが、高周波化も重要で、発振強度の最大を1.5 THz付近にセットしたい。これはテラヘルツギャップが1-2 THz帯域にある事からこれをカバーする発振器が今後、最も必要とされると考えられるからである。そのためにはメサ幅を35ミクロン程度まで細くする必要があり、このような細いメサによる発振はこれまで試みたことがない。THzギャップを克服するためにはこれを実現する必要がある。 高強度化、高周波数化には発振機構も重大な関係を持っている。発振機構の理解のためには線幅を測定することが極めて重要であり、今年度以降、Mixer技術を用いて線幅の測定を積極的に行う予定である。これまでの測定ではFT-IR装置を用いて約0.5 GHzであったが、線幅はホットスポットと共存する領域で狭く、23 MHz程度であるとの報告がある(Li et al., Phys. Rev. B86 060505(R) (2012).)。また、Liらによるとリトラップ側の発振の線幅は~GHzあり、これはホットスポットが抵抗のシャント状態を形成し、安定に発振する事として理解されているが、これを確認する必要がある。PLL(Phase Locked Loop)を形成することで線幅が1 Hz程度まで絞り込むことが可能であるとの報告もある(H. B. Wang, private Commun.)。 応用に関しては発振出力が極めて重要なパラメータとなる。これまで、透過型、反射型、CT型など各種のイメージングを行って来た(K. Nakade et al., Sci. Rep. 6:23178)。これを使ってさらにさまざまな対象のイメージング実験を実施したい。
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Research Products
(42 results)
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[Journal Article] Current Filamentation in Large Bi2Sr2CaCu2O8 Mesa Devices Observed via Luminescent and Scanning Laser Thermal Microscopy2015
Author(s)
T. M. Benseman, A. E. Koshelev, V. Vlasko-Vlasov, Y. Hao, W.-K. Kwok, U. Welp, C. Keiser, B. Gross, M. Lange, D. Koelle, R. Kleiner, H. Minami, C. Watanabe and K. Kadowaki
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Journal Title
Physical Review Applied
Volume: 3
Pages: 044017(1-7)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] A High Tc Intrinsic Josephson Junction Laser Tunable from 00.5 to 2.4 Terahertz2015
Author(s)
T. Kashiwagi, K. Sakamoto, H. Kubo, Y. Shibano, T. Enomoto, T. Kitamura, K. Asanuma, T. Yasui, C. Watanabe, K. Nakade, Y. Saiwai, T. Katsuragawa, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R. A. Klemm and K. Kadowaki
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 107
Pages: 082601(1-5)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Efficient Fabrication of Intrinsic-Josephson-Junction Terahertz Oscillators with Greatly Reduced Self-Heating Effects2015
Author(s)
T. Kashiwagi, T. Yamamoto, H. Minami, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, K. Delfanazari, T. Kitamura, C. Watanabe, K. Nakade, T. Yasui, K. Asanuma, Y. Saiwai, Y. Shibano, T. Enomoto, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, B. Markovic, J. Mirkovic, R. A. Klemm and K. Kadowaki
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Journal Title
Physical Review Applied
Volume: 4
Pages: 054018(1-16)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] The Cavity Resonance Mode of Bi2Sr2CaCu2O8 Mesa Terahertz Sources as Probed by Scanning Laser Thermal Microscopy2016
Author(s)
Timothy Benseman, Alexei Koshelev, Vitalii Vlasko-Vlasov, Ulrich Welp, Wai-Kwong Kwok, Yang Hao, Boris Gross, Matthias Lange, Dieter Loelle, Reinhold Kleiner, Kazuo Kadowaki
Organizer
APS March Meeting 2016
Place of Presentation
Baltimore convention center, USA
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-18
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[Presentation] A High Tc Superconducting Terahertz Emitter Operated from 0.5 to 2.4 THz2016
Author(s)
T. Kashiwagi, K. Sakamoto, H. Kubo, Y. Shibano, T. Enomoto, T. Kitamura, K. Asanuma, T. Yasui, C. Watanabe, K. Nakade, Y. Saiwai, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R. A. Klemm and K. Kadowaki
Organizer
APS March Meeting 2016
Place of Presentation
Baltimore convention center, USA
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-18
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[Presentation] Coherent THz Emission from High-Tc Superconductor IJJ Mesas: Recent Development2015
Author(s)
K. Kadowaki, T. Kashiwagi, T. Kitamura, C. Watanabe, Y. Saiwai, Y. Shibano, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, H. Minami and R. A. Klemm
Organizer
8th East Asia Symposium on Superconductive Electronics
Place of Presentation
Daejon, Korea
Year and Date
2015-11-04 – 2015-11-06
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] The Effect of Temperature Distribution of the Bi2212 THz Emitting Devices on the Emission Characteristics2015
Author(s)
Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Takeo Kitamura, Yoshihiko Saiwai, Yuki Shibano, Takuya Katsuragawa, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takanari Kashiwagi, Richard A. Klemm and K. Kadoaki
Organizer
8th East Asia Symposium on Superconductive Electronics
Place of Presentation
Daejon, Korea
Year and Date
2015-11-04 – 2015-11-06
Int'l Joint Research
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[Presentation] Coherent THz Emission from High-Tc Superconducting Intrinsic Josephson Junctions of Bi2Sr2CaCu2O8 Mesa Structures: Recent Development2015
Author(s)
K. Kadowaki, T. Kitamura, C. Watanabe, Y. Saiwai, Y. Shibano, K. Sakamoto, H. Kubo, T. Yamamoto, T. Katsuragawa, T. Kashiwagi, H. Minami, R. A. Klemm
Organizer
9th International Conference in School Format on Vortex Matter in Nanostructured Superconductors
Place of Presentation
Kallithea, Rhodes, Greece
Year and Date
2015-09-12 – 2015-09-17
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Thermal Instability and THz Emission from High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8 Mesa Structures2015
Author(s)
K. Kadowaki, T. Kitamura, C. Watanabe, S. Saiwai, Y. Shibano, K. Sakamoto, H. Kubo, T. Yamamoto, T. Kashiwagi, H. Minami and R. A. Klemm
Organizer
12th European Conference on Applied Superconductivity
Place of Presentation
Lyon Convention Center, Lyon, France
Year and Date
2015-09-06 – 2015-09-10
Int'l Joint Research
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[Presentation] Broadband High-Tc Superconducting Terahertz Emitter Devices: A Comparison between Differently Shaped Devices2015
Author(s)
Kaveh Delfanazari, T. Kashiwagi, M. Tsujimoto, T. Kitamura, H. Asai, T. Yamamoto, W. Wilson, R. Klemm, T. Hattori and K. Kadowaki
Organizer
12th European Conference on Applied Superconductivity
Place of Presentation
Lyon Convention Centre, Lyon, France
Year and Date
2015-09-06 – 2015-09-10
Int'l Joint Research
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[Presentation] THz Emission and c-Axis Transport Phenomena in High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8 Single Crystals2015
Author(s)
K. Kadowaki, T. Kitamura, C. Watanabe, Y. Suzuki, T. Enomoto, F. Kimizuka, Y. Saiwai, Y. Shibano, K. Mizuno, K. Ohara, H. Kubo, K. Sakamoto, K. Terao, H. Minami T. Kashiwagi and R. A. Klemm
Organizer
15th International Workshop on Vortex Matter in Superconductors (VORTEX 2015)
Place of Presentation
El Escorial, Spain
Year and Date
2015-05-10 – 2015-05-15
Int'l Joint Research / Invited
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