2014 Fiscal Year Annual Research Report
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25286083
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
有吉 誠一郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20391849)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ベイ ジョンソク 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20165525)
中島 健介 山形大学, 理工学研究科, 教授 (70198084)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | テラヘルツ／赤外材料・素子 / 超伝導材料・素子 / 超精密計測 / 電波天文学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、宇宙赤外線背景放射（CIRB、サーブ）の全天観測という新たな研究領域を切り拓くべく、超高感度・広帯域・大規模アレイ性能を兼ね備えたテラヘルツ波検出器（レシーバー）を創成することにある。具体的には、従来の金属系超伝導材料に比べて高い転移温度（Tc）をもつ窒化物系超伝導材料を導入することで、新たな力学インダクタンス検出器（MKID）アレイを開発し、1000画素クラス同時読出し回路を構築して冷却から計測制御に至る全自動化の達成を目指している。
２年目はMKID１画素の本作製と性能評価、アレイ設計と試作を行った。
まず、アレイの設計最適化に関しては、初年度に得られた１画素設計の知見をもとに、１次元アレイ設計に重点を置いた検討を進めた。具体的には、マイクロ波共振器の形状として「対称型スパイラル」パターンを用い、２画素間のクロストークをシミュレーションにより解析した。その結果、画素間距離が最密となる600μmに近づけた場合でも画素間干渉係数は0.1%以下であり、また、周波数間隔を10MHzとした場合でも同様に画素間干渉係数は0.1%以下という良好な特性を明らかにした。
次に、１画素の本作製と性能評価については、DCマグネトロンスパッタ装置を用い、２種の窒化物系超伝導材料（NbN、TaN）を用いた１画素の本作製およびアレイの試作を行った。具体的には、異なるマイクロ波共振線路長をもつMKIDを１枚のフォトマスク上に並べて設計・配置し、山形大学の超伝導素子作製用プロセスラインを用いて行った。特にTaNを用いたMKID（膜厚50nm）を冷却評価した結果、電波吸収体を用いたHot-Cold（300-77K）の実験により、光照射による1MHz以上の共振周波数シフトを初めて確認した。現在、周辺の光学系も含めた検出感度の最適化を進めており、逸早く実用化に結び付けたいと考えている。
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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
２年目終了時にはTaN製MKIDへの光照射によってマイクロ波共振周波数シフトを確認し、かつ２画素間のクロストーク特性を明らかにしており、最終年度に行うMKIDアレイの本作製の指針が得られている。
また、研究代表者は平成26年10月に名古屋工業大学から豊橋技術科学大学へ転任したため一時的に研究開発の不連続は生じたものの、それを補って余りある新たな人脈による分野間連携研究をスタートさせる契機となった。旧名工大のテラヘルツ研究者はもとより、愛知県内の大学（名大、豊橋技科大）に所属する超伝導応用研究者との密接な交流により将来的な可能性への拡がりを見せている。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度にあたる３年目は、２次元アレイの設計と本作製および性能評価とともに、新たな超伝導材料の開拓を行う。
まず、設計に関しては、２次元アレイの最適化に重点を置いた設計を進める。具体的には、アレイ化の際の画素間クロストークを防ぐために検出器アレイの電磁界解析を行う。この解析には２種類の電磁界解析ソフトウェア（Agilent社ADS、Ansys社HFSS）を用いることで最適化設計が可能と考えられる。
また、作製に関しては、前年度までに成膜条件や加工条件を検討したTaNやNbN薄膜を用いてMKIDアレイの本作製を行う。具体的には、5×5画素以上の２次元アレイを10mm角の単結晶基板に配置し、山形大学の超伝導素子作製用プロセスライン（露光・現像装置やエッチング装置など）を駆使して進める。また、豊橋技術科学大学では小型スパッタ装置を用いてMKID開発に適した新たな超伝導材料の開拓を行う。
さらに、MKIDアレイの冷却とマイクロ波共振特性の評価に関しては、代表者が所有する低振動型3Heパルス管冷凍機（最低到達温度 0.3K）を用い、0.3Kステージに温調を掛けることで任意の温度で使用する。この冷凍機システムは冷媒（液体ヘリウム）フリーかつスタートボタンを一度押すだけで全自動冷却が可能であり、タイムロスの少ない効率的な冷却評価が可能である。また、テラヘルツ帯フーリエ変換分光器を用いてMKIDアレイの光学特性を測定することでイメージング性能を明らかにする。また、同時並行して、PC制御のアレイ読出しソフトウェアを設計・構築し、これに無冷媒0.3K冷凍機システムを組み合わせることで、冷却から計測に至る全自動化の達成を目指す。
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| Causes of Carryover |
作製と評価に必要な消耗品購入時の交渉により、可能な限りのコスト削減を実施したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
MKIDアレイの実現およびMKID超伝導材料の新規開拓を目的として、作製プロセスライン関連の消耗品を購入する費用に充当する予定である。
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[Journal Article] Two-dimensional Microwave Kinetic Inductance Detector array for an Imaging Terahertz Spectrometer2014
Author(s)
S. Ariyoshi, K. Nakajima, A. Saito, T. Taino, C. Otani, X. Yu, K. Tsukada, K. Nakajima, K. Motoshita, Y. Ogawa, H. Yamada, S. Ohshima and J. Bae
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Journal Title
Proceedings of 2014 Korea-Japan Microwave Workshop (KJMW2014)
Volume: -
Pages: TH_4A_1
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[Presentation] Two-dimensional Microwave Kinetic Inductance Detector array for an Imaging Terahertz Spectrometer2014
Author(s)
S. Ariyoshi, K. Nakajima, A. Saito, T. Taino, C. Otani, X. Yu, K. Tsukada, K. Nakajima, K. Motoshita, Y. Ogawa, H. Yamada, S. Ohshima and J. Bae
Organizer
2014 Korea-Japan Microwave Workshop (KJMW2014)
Place of Presentation
Suwon, Korea
Year and Date
2014-12-04 – 2014-12-05
Invited
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[Presentation] NbN-based Microwave Kinetic Inductance Detectors for an Imaging Terahertz Spectrometer2014
Author(s)
S. Ariyoshi, K. Nakajima, A. Saito, T. Taino, C. Otani, X. Yu, K. Tsukada, K. Nakajima, K. Motoshita, Y. Ogawa, H. Yamada, S. Ohshima and J. Bae
Organizer
27th International Symposium on Superconductivity (ISS2014)
Place of Presentation
Tokyo, Japan
Year and Date
2014-11-25 – 2014-11-27
Invited
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