Higher Functionalization and Application-Oriented Development of Terahertz Emission Devices Using Intrinsic Josephson Junctions

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H01996
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 門脇 和男 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00272170)
• 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)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: テラヘルツ波 / 固有ジョセフソン接合 / THz波発振現象 / 高温超伝導体 / 多重ジョセフソン接合系 / ジョセフソンレーザー / 超伝導レーザー / ビスマス系高温超伝導体

Outline of Annual Research Achievements

この研究課題の主題は、高温超伝導体の固有の層状性とCuO2の2次元伝導性を巧みに利用した高温超伝導ジョセフソン接合系のTHz波の発信に関するものであり、その物理的機構を深く理解し、より高周波、かつ、より強い発振強度が得られるための技術の開拓を目指すものであり、最終的には1mWクラスの発振出力を実現することを目標としている。これを実現するために初年度と２年次目は、発振の際おこる素子の発熱がどのように発振特性に影響するかをメサの局所的温度を測定する独自の手法を開拓し調べてきた。その結果、素子の発熱はホットスポットといわれる超伝導転移点以上にもなる局所的な発熱が発振出力を大幅に低下させる悪影響を与えていることが明らかとなった。これは、ある程度、予想されたことであったが、極めて困難な課題に直面したともいえる。このような局所的な発熱問題はこのようなマイクロデバイスでは共通の問題として存在しており、極めて重要な課題を解決せねばならない状況が明らかになってきた。
そこで、本研究の第３年次目においてはこの発熱の問題を正面から取り組むため、デバイスの構造を、設計段階から見直し、熱の伝達経路を詳細に検討しなおし、できるだけ効率の良い廃熱構造を構築することを目指す。その一つの試みとして発振素子をサファイア基盤に接着するための媒体の検討を進める。多くのエポキシ系接着剤がすでにこのような目的に利用されているが、どの程度有効かを調べるとともに、素子/金/サファイアという金属の金を媒体とした直結型の構造の可能性について検討する。また、半導体素子やレーザー素子の廃熱との類似性から既存技術がどこまで利用できるかの検討を行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高温超伝導体の固有ジョセフソン接合を用いたTHz波発振現象が2007年に発見されて以来、それをTHz波の発振源として利用する構想がたてられ、研究が続けられており、本研究もその一環である。発見当初から発振出力も3桁程度向上し、数10マイクロワットレベルに達したが、次第に飽和する傾向がみられ、その原因究明によるさらなる出力向上が大きな課題であった。本研究により、我々が独自に開発したSiC微粉末を用いた発振素子の局所的温度分布の測定により、その原因が素子のジュール発熱による局所的ホットスポットの出現が明らかにされ、ジュール発振と発熱ホットスポットの関係が解明されつつある。この研究成果は高出力発振に向け、大きな進展をもたらしたが、この発熱の問題の解明の際に、明らかになった重大なことは、発振素子と基板間の熱抵抗が発熱の主たる要因であることを突き止めたことである。すなわち、放熱基板と発振素子間の熱接触による熱接触問題を解決しなければならないことが明らかとなった。これはそう簡単ではない。
この発熱の問題はすなわち界面熱抵抗の問題であり、これを解決することが今後の重要課題である。現在、様々な接着剤とその接着の技術的問題を解決するため、研究を進めている。

Strategy for Future Research Activity

このように、今後の最重要課題として明らかになったことは、発振素子とサファイヤ基板間の熱接触抵抗をいかに下げるかということである。もちろん、発振素子の接着方法が問題であり、これまでの銀ペーストによる方法を金薄膜を介して直接接着する方法が開発され、テストされてきた。この方法を単独メサ（スタンドアローン型）とよぶが、これによって大幅に熱接触を改善することができ、その結果、発振出力が大幅向上した。それに伴って、電流電圧特性に伴うヒステリシスも大きくなり、発振の際の印可電圧もそれに比例して高くすることができ、高周波化も同時に達成できるという、一挙両得の効果があることが分かった。大きな負性抵抗が現れた従来の電流電圧特性に比べると、ヒステリシスは大きく広がったが、負性抵抗は消失する方向、あるいは消失してしまう現象がみられた。これは熱接触が改善されたために温度上昇が電流値とともに急激に増大しないように抑えられていることを意味していると考えられる。この結果、単独メサ構造を用いることで、周波数としては2.4THz、50-100マイクロワット程度まで改善することに成功した。
また、発振素子の厚さを増せば、厚さの2乗に比例して強度も増大することが予想されるが、厚さが約2ミクロン程度で発振出力が飽和する傾向にあることが明らかになって、単独メサ構造の限界が垣間見られるようになってきた。ほぼ単独メサ構造の限界に達したと考えている。
今後、さらに発振出力向上と高周波化を目指すためには単独メサ以上の廃熱構造を考案しなければならない。これが現在に課せられた最重要課題である。単独メサ構造はもはや避けられない優れた構造であるが、さらに技術的な改良が必要不可欠である。これを開拓し、3THz、1mWクラスの発振を得ることが究極の課題である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Argonne National Laboratory/University of Central Florida/Queens College, CUNY(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Argonne National Laboratory/University of Central Florida/Queens College, CUNY
  • # of Other Institutions: 1
• [Journal Article] High-Resolution Thermal Micro-Imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings (2017)
  • Author(s): Timothy M. Benseman, Yang Hao, Vitalii K. Vlasko-Vlasov, Ulrich Welp, Alexei Koshelev, Wai-Kwong Kwok, Ralu Divan, Courtney Keiser, Chiharu Watanabe and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Video Article, J. Vis. Exp. Volume: なし Pages: e53948
  • DOI: 10.3791/53948
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrical Potential Distribution in Terahertz-Emitting Rectangular Mesa Devices of High-Tc Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+d (2016)
  • Author(s): C. Watanabe, H. Minami, T. Kitamura, Y. Saiwai, Y. Shibano, T. Katsuragawa, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Kashiwagi, R. A. Klemm and K. Kadowaki
  • Journal Title: Supercond. Sci. & Technol. Volume: 29 Pages: 065022(1-14)
  • DOI: 10.1088/0953-2048/29/6/065022
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cavity Mode Enhancement of Terahertz Emission from Equilateral Triangular Microstrip Antennas of the High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d (2016)
  • Author(s): Daniel P. Cerloney, Candy Reid, Constance M. Doty, Ashley Gramajo, Tyler D. Campbell, Manuel A. Morales, Kaveh Delfanazari, Manabu Tsujimoto, Takanari Kashiwagi, Takashi Yamamoto, Chiharu Watanabe, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki and Richard A. Klemm
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 29 Pages: 015601(1-16)
  • DOI: 10.1088/0953-8984/29/1/015601
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 高排熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振特性V (2017)
  • Author(s): 柏木隆成、田中大河、久保裕之、湯浅拓実、渡邉千春、坂本和輝、桂川拓也、小守優貴、太田隆晟、桑野玄気、田邊祐希、中村健人、辻本学、山本卓、吉崎亮造、南英俊、門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス、大坂府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 高温超伝導体THz波発振素子の熱分布が発振特性に与える影響の観測 (2017)
  • Author(s): 渡邉千春
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス、大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
  • Invited
• [Presentation] Fabrication of the array of high-Tc superconducting terahertz emitting devices (2017)
  • Author(s): 4.南英俊、中村健人、小守優貴、渡邉千春、久保裕之、坂本和輝、桂川拓也、湯浅拓実、田中大河、太田隆晟、田邊祐希、桑野玄気、柏木隆成、辻本学、山本卓、門脇和男
  • Organizer: 2017年第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Research development of thermal evaluation using Bi2212 high-Tc superconducting THz oscillators (2017)
  • Author(s): 5.田中大河、柏木隆成、渡邉千春、久保裕之、坂本和輝、桂川拓也、湯浅拓実、小森優貴、田辺祐希、太田隆晟、中村健人、桑野玄気、山本卓、辻本学、南英俊、門脇和男
  • Organizer: 2017年第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] Study of radiation intensity characteristics from Bi2Sr2CaCu2O8+d high-Tc superconducting terahertz emitters (2017)
  • Author(s): 1.T. Kashiwagi, T. Yuasa, H. kubo, K. Sakamoto, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, Y. Tanabe, R. Ota, G. Kuwano, M. Tsujimoto, R. Yoshizaki, T. Yamamoto, H. Minami, R. Klemm, K. Kadowaki
  • Organizer: APS (American Physical Society) March Meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans Convention center, New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz emission from pie-shaped wedge microstrip antennas of the high-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d (2017)
  • Author(s): 2.Q. Wang, R. A. Klemm, K. Delfanazari, D. Cerkoney, T. Yamamoto, M. Tsujimoto, K. Kadowaki, C. Watanabe, H. Minami, T. Kashiwagi and M. Morales
  • Organizer: APS (American Physical Society) March Meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans Convention center, New Orleans, Louisiana, USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of strip-line electrodes on coherent terahertz emission from BSCCO intrinsic Josephson junctions (2017)
  • Author(s): 3.M. Tsujimoto, G. Kuwano, C. Watanabe, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, Y. Komori, R. Ota, Y. Tanabe, K. Nakamura, T. Kashiwagi, H. Minami, K. Kadowaki, T. Doi, A. Elarabi and I. Kakeya
  • Organizer: APS (American Physical Society) March Meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans Convention center, New Orleans、USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
• [Presentation] Cavity mode enhancement of terahertz emission from equilateral triangular microstrip antennas of the high-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d (2017)
  • Author(s): 4.C. Doty, D. Cerkoney, A. Gramajo, T. Campbell, C. Reid, M. Morales, K. Delfanazari, T. Yamamoto, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, C. Watanabe, H. Minami, K. Kadowaki and R. A. Klemm
  • Organizer: APS (American Physical Society) March Meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans Convention center, New Orleans, USA
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of High-Tc Superconducting Terahertz Emitter (2016)
  • Author(s): 1.T. Kshiwagi, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Yuasa, Y. Tanabe, C. Watanabe, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, R. Yoshizaki, H. Minami and K. Kadowaki
  • Organizer: 29th International Symposium on Superconductivity ISS2016
  • Place of Presentation: Tokyo International Forum, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-12-13 – 2016-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 正方形メサにおけるTHz 波の発振 (2016)
  • Author(s): 門脇和男, 渡邉千春, 久保裕之、坂本和輝、桂川卓也、田中大河、湯浅拓実、小守優貴、柏木隆成、南英俊、辻本学
  • Organizer: 第24回渦糸物理国内会議、「超伝導体における渦糸状態の物理と応用（2016）
  • Place of Presentation: 秋田芸術村「温泉ゆぽぽ」,秋田県仙北市田沢湖
  • Year and Date: 2016-11-28 – 2016-11-30
• [Presentation] Coherent THz Wave Generation from High-Tc Superconducting Bi2212 Single Crystal Intrinsic Josephson Devices: 9 Years Development after Discovery (2016)
  • Author(s): Kazuo Kadowaki, K. Nakade, C. Watanabe, Y. Saiwai, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, Y. Komori, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, H. Minami, T. Yamamoto and R. A. Klemm
  • Organizer: 10th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors
  • Place of Presentation: Nanjing University, Nanjing, China
  • Year and Date: 2016-10-09 – 2016-10-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bridging the Terahertz-Gap Using High Tc Superconducting Emitters with Coherent and Continuous Electromagnetic Wave (EMW) Radiation (2016)
  • Author(s): Kazuo Kadowaki, C. Watanabe, K. Nakade, Y. Saiwai, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Katsuragawa, T. Tanaka, T. Yuasa, Y. Komori, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, H. Minami, T. Yamamoto and R. A. Klemm
  • Organizer: 4th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • Place of Presentation: Bella Center, Copenhagen, Denmark
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-30
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Coherent THz Electromagnetic Wave Emitters Using High-Tc Superconducting Bi2Sr2CaCu8+d IJJs: Recent Advances and Comparative Study (2016)
  • Author(s): Kazuo Kadowaki, C. Watanabe, K. Ohara, H. Kubo, K. Sakamoto, K. Terao, T. Katsuragawa, Y. Araki, T. Tanaka, S. Matsuo, T. Yuasa, S. Osuga, Y. Komori, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, H. Minami, T. Yamamoto and R. A. Klemm
  • Organizer: 2nd Science & Applications of Thin Films
  • Place of Presentation: Cesme, Ismir, Turkey
  • Year and Date: 2016-09-19 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高廃熱構造を用いた固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振特性IV (2016)
  • Author(s): 柏木隆成、湯浅拓実、渡邉千春、久保裕之、坂本和輝、桂川拓也、田中大河、小守優貴、太田隆晟、桑野玄気、田邊祐希、中村健人、辻本学、山本卓、吉崎亮造、南英俊、門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス、石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] PL発光を生じる半導体薄膜による高温超伝導体THz波発振デバイスの新規温度分布の観測 (2016)
  • Author(s): 渡邉千春、南英俊、久保裕之、坂本和輝、桂川拓也、湯浅拓実、田中大河、小守優貴、辻本学、柏木隆成、Richard Klemm
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス、石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Study of thickness dependence of radiation power from high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ THz emitter (2016)
  • Author(s): Takumi Yuasa, Takanari Kashiwagi, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Takuya Katsuragawa, Yuuki Komori, Taiga Tanaka, Ryuusei Oota, Genki Kuwano, Yuuki Tanabe, Kento Nakamura, Manabu Tsujimoto, Takashi Yamamoto, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: 2016年第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Fabrication of high-Tc superconducting THz emitters by wet etching technique (2016)
  • Author(s): Yuki Komori, Yuki Shibano, Hidetoshi Minami, Chiharu Watanabe, Takuya Katsuragawa, Hiroyuki Kubo, Kazuki Sakamoto, Taiga Tanaka, Takumi Yuasa, Kento Nakamura, Ryusei Ota, Genki Kuwano, Yuki Tanabe, Takanari Kashiwagi, Manabu Tsujimoto, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: 2016年第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Development of the cylindrical stand-alone type of mesa structure fabricated from high temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ intrinsic Josephson junctions for THz emitters II (2016)
  • Author(s): Kazuki Sakamoto, Takanari Kashiwagi, Hiroyuki Kubo, Chiharu Watanabe, Takuya Katsuragawa, Taiga Tanaka, Takumi Yuasa, Komori Yuuki, Ota Ryusei, Kuwano Genki, Tanabe Yuuki, Nakamura Kento, Yamamoto Takashi, Tsujimoto Manabu, Minami Hidetoshi, Kadowaki Kazuo
  • Organizer: 2016年第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Nanoscience and Engineering in Superconductivity, Past 30 Years, Present and Future (2016)
  • Author(s): K. Kadowaki
  • Organizer: International Conference on Nano-Confined Superconductors and Their Applications
  • Place of Presentation: Garmisch-Partenkirchen, Germany
  • Year and Date: 2016-09-03 – 2016-09-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Coherent Terahertz Emitters for the Next Generation: High-Tc Superconducting Synchronized IJJ Devices (2016)
  • Author(s): K. Kadowaki, C. Watanabe, K. Ohara, H. Kubo, K. Sakamoto, K. Terao, T. Katsuragawa, Y. Araki, T. Taiga, S. Matsuo, T. Yuasa, S. Osuga, Y. Komori, T. Isomae, R. Ota, G. Kuwano, Y. Tanabe, K. Murayama, K. Nakamura, H. Minami, T. Kashiwagi, M. Tsujimoto and R. A. Klemm
  • Organizer: 2016 International Symposium for Advanced Materials Research (ISAMR 2016)
  • Place of Presentation: Sun Moon Lake, Taiwan
  • Year and Date: 2016-08-11 – 2016-08-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-Tc Superconducting THz Emitters (2016)
  • Author(s): K. Kadowaki, T. Kitamura, C. Watanabe, Y. Saiwai, Y. Shibano, K. Sakamoto, H. Kubo, T. Yamamoto, T. Katsuragawa, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, H. Minami and R. A. Klemm
  • Organizer: BIT’s 5th World Congress of Advanced Materials
  • Place of Presentation: Chongqing Convention Center, Chongquin, China
  • Year and Date: 2016-06-05 – 2016-06-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Filling the Terahertz-Gap Using High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d Mesa Devices as an Emitter (2016)
  • Author(s): K. Kadowaki, C. Watanabe, H. Kubo, S. Sakamoto, T. Katsuragawa, T. Tanaka, Y. Yuasa, Y. Komori, M. Tsujimoto, T. Kashiwagi, H. Minami, T. Yamamoto and R. A. Klemm
  • Organizer: Energy Materials Nanotechnology (EMN) Meeting on Terahertz 2016
  • Place of Presentation: San Sebastian, Spain
  • Year and Date: 2016-05-14 – 2016-05-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overcoming the Terahertz-Gap Using High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+d Mesa Devices as Emitters (2016)
  • Author(s): K. Kadowaki
  • Organizer: The 14th International Workshop High-Frequency Superconducting Electronics
  • Place of Presentation: Björkliden, Kirna, Sweden
  • Year and Date: 2016-04-10 – 2016-04-17
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] Multi-Vortex States in Mesoscopic Superconductors (2017)
  • Author(s): 2.N. Kokubo, S. Okayasu and K. Kadowaki, “Multi-Vortex States in Mesoscopic Superconductors
  • Total Pages: 27
  • Publisher: Oxford University Press
• [Book] Terahertz Spectroscopy: A Cutting Edge Technology (2016)
  • Author(s): 1.Manabu Tsujimoto, Takanari Kashiwagi, Hidetoshi Minami and Kazuo Kadowaki
  • Total Pages: 114
  • Publisher: INTECH
• [Remarks] Dr. Wai- K. Kwok
  • URL: http://www.msd.anl.gov/kwok
• [Remarks] Dr. Ulrich Welp
  • URL: https://www.anl.gov/msd/person/ulrich-welp
• [Remarks] Professor Richard A. Klemm
  • URL: https://physics.ucf.edu/~klemm/
• [Remarks] Assistant Professor Timothy Benseman
  • URL: http://www.physics.qc.edu/people/faculty/tbenseman