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

2017 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: 超伝導THz発振 / 高温超伝導体 / 固有ジョセフソン接合 / THz波 / THz分光 / コヒーレントTHz波

Outline of Annual Research Achievements

これまで、銅酸化物高温超伝導体のBi2212系を利用した固有ジョセフソン接合系のメサを作成し、交流ジョセフソン効果の特徴を生かし、THz波を連続発振するデバイスの開発に努力してきた。本年度は、特に、高効率で強度の強い発振を得るために、１．単独メサ構造を利用し、２．発熱効果を最大限抑制するため、高効率で排熱する構造をメサ周辺に構築する工夫を行うこと、３．複数のメサを同時に協調動作させる素子アレイ構造の検討と発振試験、の3点について集約して研究を行った。その結果、１．に関してはすでに実証されているとおり、I-V特性にバックベンディングが観測されないことから、高い電圧が素子に印加でき、従って、高い周波数を容易に発振できることがわかり、最大周波数として2.4 THzを達成することができた。しかしながら、発振強度に関しては、単独メサ構造にすることで素子への給電構造や周辺構造が複雑化し、単独メサの特徴を十分出し切れていないと思われる結果が得られている。この点は今後、改良する必要があると思われる。2．に関しては、サファイアの薄版でメサを挟み込むことでメサの冷却効率を高める構造に改良した。このことで給電の方法が技術的により困難になることがあげられるが、THz発振特性は大幅に改善し、特に高電流側でのI-V特性におけるバックベンディング効果がほぼ改善できた。これによって、高周波数側へ発振周波数が大幅に改善され、最大2.4 THzが現在得られている。給電構造が圧着方式であるため、メサへの力学的なストレス効果が発振へ影響している状況が実際うかがわれている。これをモールド方式に変更することを検討中である。3．に関しては、従来、3個のメサの協調動作で約600マイクロワットが実証されているので、メサを5個程度まで増やし、1 mW以上の高出力THz波の発振を目指しているが、今のところ実現できていない。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度の研究課題であった高強度THz波発振の実現に向けた研究が大きく進展した。その最大の問題は発熱であったが、サファイア薄版でメサの両側から挟み込むことで排熱性を高めた構造を構築することでI-V特性に負性抵抗となるバックベンディング効果が見られなくなった。これは大きな改善であり、発振特性も高周波数側に大きく進展し、2.4 THzを観測した。また、発熱が発振にどのように影響するかの詳細をビジュアル化するため、光学的な反射率の温度依存性を測定することによってメサの局所的な温度の測定が可能となる測定法を開発し、より詳細なメサの発熱と発振状態の深い研究が可能となった。これはSiCの微粉末を塗布することで、紫外線照射によって得られる蛍光強度の観測より、空間分解能が向上し、また、それ以上のメリットとして、メサに全く手を触れずに温度観測が簡便に可能となった点である。この手法を用いて様々なメサ形状、サイズなどの外的条件を変えた際にどのような発熱現象が現れるかを分析することで、ホットスポットの現れない構造やメサ作成条件を確立したい。
THz波の強度の向上が本研究の究極的な目標の一つであるが、その方法として最も効果的であると考えられ、注目しているのが複数協調動作の方法である。すでに3個のメサの協調動作で、600マイクロワットが観測されている事から5個程度を同時に動作させ協調させることができれば、目標とする1 mW程度は実現可能と考えている。アレイ化の技術や、協調動作のかけ方には様々な方法が考えられ、どの方法が実用的にベストなのか検討中である。

Strategy for Future Research Activity

上記のように、これまでの研究の進捗状況は予想以上に進展しており、大変順調である。このまま研究を続行することで、最終的には本研究目的を十分達成できるものと考えている。特に、進捗状況で述べたように、メサの集積化によって複数個（たとえば、5個程度）のメサを協調動作できれば、1 mW程度の出力を容易に得られるものと予想されており、時間の問題かと思われる。数値シミュレーションからも同様の結果が得られているのは心強い。それが実現すれば、商業化も可能であると考えられ、耐久性などの向上も含めた総合的な実用デバイスとしての仕様を向上させる必要があると考えている。
しかしながら、必ずしも喜ばしい事ばかりではない。それは、本研究の研究代表者の定年に伴い、研究スペースの削減（研究代表者の実質上の研究スペースはゼロ）、それによる実験設備の廃棄をやむなくされ、研究続行に大きな障害となっている。大学院生の指導も不可能である事から研究力の大幅な低下は避けられない状況にある。かろうじて共同研究者が研究を実施可能な状況にあることから、共同研究者の研究に期待を託す以外にない。このような状況は、科学研究において大きな損失であることは明らかであり、制度上の改革が必須であると思われる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Argonne National Laboratory/University of Central Florida(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Argonne National Laboratory/University of Central Florida
• [Journal Article] Surface Observation and Magnetism of Oil-Extrcted Botryococcus Braunii Residues before and after Carbonization (2018)
  • Author(s): Aohan Wang, Mikihide Demura, Makoto Watanabe, Kotaro Ohara, Takanari Kashiwagi, Kazuo Kadowaki, Eiji Kita, Jiuchao Dong and Hiromasa Goto
  • Journal Title: J. Carbon Rese. Volume: 4 Pages: 10
  • DOI: 10.3390/c4010010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Present Status of High Tc Superconducting Terahertz Emitters, Focus on Superconductor Terahertz Science and Applications (2017)
  • Author(s): T. Kashiwagi, H. Kubo, K. Sakamoto, T. Yuasa, Y. Tanabe, C. Watanabe, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, T. Katsuragawa, M. Tsujimoto, T. Yamamoto, R. Yoshizaki, H. Minami and K. Kadowaki
  • Journal Title: Supercond. Sci. Technol. Volume: 30 Pages: 074008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermal Tunning of High-Tc Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+d Terahertz Metamaterial (2017)
  • Author(s): S. Kalhor, M. Ghanaatshoar, T. Kashiwagi, K. Kadowaki, M. J. Kelly, and K. Delfanazari
  • Journal Title: IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology Volume: 9 Pages: 1400308
  • DOI: 10.1109/JPHOT.2017.2754465
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermoreflectance Microscopy Measurements of the Joule Heating Characteristics of High-Tc Superconducting Terahertz Emitters (2017)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Taiga Tanaka, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Yuki Komori, Takumi Yuasa, Yuki Tanabe, Ryusei Ota, Genki Kuwano, Kento Nakamura Manabu Tsujimoto, Hidetoshi Minami, Takashi Yamamoto, Richard A. Klemm and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 122 Pages: 223902
  • DOI: 10.1063/1.5002743
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Terahertz Emission from the Intrinsic Josephson Junctions of High-Symmetry Thermally-Managed Bi2Sr2CaCu2O8+d Microstrip Antennas (2017)
  • Author(s): Richard A. Klemm, Andrew E. Davis, Qing X. Wang, Takashi Yamamoto, Daniel P. Cerkoney, Candy Reid, Maximiliaan L. Koopman, Hidetoshi Minami, Takanari Kashiwagi, Jpseph R. Rain, Constance M. Doty, Michael A. Sedlack, Manuel A. Morales, Chiharu Watanabe, Manabu Tsujimoto, Kaveh Delfanazari and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. and Eng. Volume: 279 Pages: 12017
  • DOI: 10.1088/1757-899/279/012017
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transport and Structural Properties of Cu0.25Bi2(TexSe1-x)3 (x=0.01) under High Pressure (2017)
  • Author(s): Ayako Ohmura, Masako Matsuzawa, Fumihiro Ishikawa, Yusuke Suzuki, Masashi Komatsu, Shumpei Osuga, Satoshi Nakano, Atsuko Nakayama, Yuh Yamada, Takanari Kashiwagi and Kazuo Kadowaki
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 56 Pages: 05FB04
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.05FB04
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Terahertz emission from the intrinsic Josephson junctions of high-symmetry thermally-managed Bi2Sr2CaCu2O8+δ microstrip antennas (2018)
  • Author(s): Richard Klemm, Andrew Davis, Qing Wang, Takashi Yamamoto, Daniel Cerkoney, Candy Reid, Maximiliaan Koopman, Hidetoshi Minami, Takanari Kashiwagi, Joseph Rain, Constance Doty, Michael Sedlack, Manuel Morales, Chiharu Watanabe, Manabu Tsujimoto, Kaveh Delfanazari, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: American Physical Society March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy of FeSe0.6Te0.4 single crystals (2018)
  • Author(s): Yasuo Yoshida , Hung-Hsiang Yang , Yukio Hasegawa, Kotaro Terao, Takanari Kashiwagi, Kazuo Kadowaki
  • Organizer: American Physical Society March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Linewidth Dependence of Coherent Terahertz Waves Emitted from a Stack of Intrinsic Josephson Junctions in BSCCO (2018)
  • Author(s): Genki Kuwano, Takanari Kashiwagi, Yota Kaneko, Hidetoshi Minami, Kazuo Kadowaki, Yilmaz Simsek, Wai-Kwong Kwod, Ulrich Welp, Richard A. Klemm and Manabu Tsujimoto
  • Organizer: American Physical Society March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of Joule Heating Characteristics of Bi2Sr2CaCu2O8+d High-Tc Superconducting Terahertz Emitters (2018)
  • Author(s): Takanari Kashiwagi, Taiga Tanaka, Chiharu Watanabe, Hiroyuki Kubo, Yuki Komori, Takumi Yuasa, Yuki Tanabe, Ryusei Ota, Genki Kuwano, Kento Nakamura, Manabu Tsujimoto, Hidetoshi Minami, Takashi Yamamoto, Richard A. Klemm and Kazuo Kadowaki
  • Organizer: American Physical Society March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サーモリフレクタンス法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特性評価 (2018)
  • Author(s): 柏木隆成, 田中大河, 渡辺千春, 小守優貴, 田邊祐希, 湯浅拓実, 太田隆晟, 桑野玄気, 中村健人, 今井貴之, 大野雪乃, 金子陽太, 辻本学, 山本卓, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会（2018年）
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合列の位相同期現象におけるメサ断面形状効果 (2018)
  • Author(s): 桑野 玄気、金子 陽太、小守 優貴、田中 大河、湯浅 拓実、太田 隆晟、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、鍾 俊蘭、柏木 隆成、南 英俊、門脇 和男、辻本 学
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体テラヘルツ光源と結合する開放型平面アンテナ素子の開発 (2018)
  • Author(s): 金子 陽太、桑野 玄気、鍾 俊蘭、小守 優黄、田中 大河、湯浅 拓実、太田 隆晟、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、南 英俊、柏木 隆成、門脇 和男、辻本 学
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ波発振素子アレイの研究 (2018)
  • Author(s): 南 英俊、村山 一哉、小守 優貴、中村 健人、大野 雪乃、湯浅 拓実、田中 大河、田邊 祐希、今井 貴之、太田 隆晟、桑野 玄気、金子 陽太、鍾 俊蘭、柏木 隆成、辻本 学、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Terahertz Emission from High-Tc Superconductor Bi2212 Mesa Structures with Higher Symmetry (2017)
  • Author(s): K. Kadowaki, T. Yuasa, T. Tanaka, Y. Komori, R. Ota, G. Kuwano, K. Nakamura, M. Tsujimoto, H. Minami, T. Kashiwagi and R, A, Klemm
  • Organizer: 16th International Workshop on Vortex Matter
  • Invited
• [Presentation] Coherent and Continuous Terahertz Emitters from High-Tc Superconductor Mesa Structures (2017)
  • Author(s): K. Kadowaki
  • Organizer: Workshop of Terahertz Technology: Nano-Micro Conference 2017
  • Invited
• [Presentation] Terahertz Emission from the Intrinsic Josephson Junctions of High-Symmetry Thermally-Managed BSCCO Microstrip Antennas (2017)
  • Author(s): R. A. Klemm, A. E. Davis, Q. X. Wang, T. Yamamoto, D. P. Cerkoney, C. Reid, M. L. Koopman, H. Minami, T. Kashiwagi, J. R. Rain, C. M. Doty, M. A. Sedlack, M. A. Morales, C. Watanabe, M. Tsujimoto, K. Delfanazari and K. Kadowaki
  • Organizer: Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference 2017
• [Presentation] Device characteristics of high-Tc superconducting intrinsic Josephson junction terahertz emitters (2017)
  • Author(s): Kashiwagi T., Yuasa T., Tanabe Y., Tanaka T., Komori Y., Ota R., Kuwano G., Nakamura K., Watanabe C., Tsujimoto M., Yamamoto T., Yoshizaki R., Minami H, Klemm R., Kadowaki K
  • Organizer: 28th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ワイルセミメタルNbAs単結晶の育成と物性評価II (2017)
  • Author(s): 大須賀駿平, 荒木雄也, 柏木隆成, 松尾壮一郎, 村山一哉, 大槻祥馬, 志津友幸, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ワイル半金属TaPの単結晶の育成と物性評価 (2017)
  • Author(s): 荒木雄也, 大須賀駿平, 柏木隆成, 松尾壮一郎, 村山一哉, 大槻祥馬, 志津友幸, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合系Bi2212テラヘルツ発振素子の発振周波数特性について (2017)
  • Author(s): 柏木隆成, 湯浅拓実, 田中大河, 小守優貴, 田邊祐希, 太田隆晟, 桑野玄気, 中村健人, 今井貴之, 大野雪乃, 辻本学, 山本卓, 吉崎亮造, 南英俊, 門脇和男
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いたTHz波発振素子の発振強度に関する研究 (2017)
  • Author(s): 湯浅 拓実、柏木 隆成、小守 優貴、田中 大河、太田 隆晟、桑野 玄気、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、金子 陽太、鍾 俊蘭、辻本 学、山本 卓、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いた円盤型テラヘルツ波発振素子のウエットエッチング法による作製と評価 (2017)
  • Author(s): 田邊 祐希、柏木 隆成、小守 優貴、今井 貴之、鍾 俊蘭、湯浅 拓実、田中 大河、太田 隆晟、桑野 玄気、中村 健人、大野 雪乃、金子 陽太、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体を用いたテラヘルツ波発振素子のウェットエッチング法による作製 Ⅱ (2017)
  • Author(s): 小守 優貴、南 英俊、田邊 祐希、今井 貴之、湯浅 拓実、田中 大河、中村 健人、太田 隆晟、桑野 玄気、大野 雪乃、金子 陽太、鍾 俊蘭、柏木 隆成、辻本 学、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 固有ジョセフソン接合系テラヘルツ発振デバイスの線幅評価 (2017)
  • Author(s): 桑野 玄気、柏木 隆成、辻本 学、金子 陽太、鍾 俊蘭、小守 優貴、田中 大河、湯浅 拓実、太田 隆晟、田邊 祐希、中村 健人、今井 貴之、大野 雪乃、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導体 Bi2212 THz 波発振素子の発熱評価と発振特性 (2017)
  • Author(s): 田中 大河、柏木 隆成、小守 優貴、湯浅 拓実、田邊 祐希、中村 健人、太田 隆晟、桑野 玄気、今井 貴之、大野 雪乃、金子 陽太、鍾 俊蘭、山本 卓、辻本 学、南 英俊、門脇 和男
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高温超伝導テラヘルツ発振デバイスの実用化と将来展望 (2017)
  • Author(s): 門脇 和男、Asem Elarabi、Zhong Junlan、田中 大河、湯浅 拓実、小守 優貴、太田 隆晟、桑野 元気、田邊 祐希、中村 健人、大野 雪乃、金子 陽太、辻本 学、柏木 隆成、南 英俊、山本 卓、Delfanazari Kaveh、Klemm Richard
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Book] 超伝導磁束状態の物理 (2017)
  • Author(s): 門脇和男
  • Total Pages: 800
  • Publisher: 裳華房
  • ISBN: 13:978-4785329228
• [Remarks] 門脇・柏木研究室
  • URL: http://ims.tsukuba.qac.jp/~Kadowaki_lab/index.html
• [Remarks] 門脇和男（個人）
  • URL: http://ims.tsukuba.ac.jp/~Kadowaki_lab/person/Kadowaki/index.html