EIIRISプロジェクト研究

超伝導薄膜を用いたテラヘルツ光センサーアレイの研究開発
プロジェクトメンバー： エレクトロニクス先端融合研究所 有吉 誠一郎、三上 光瑠、田中 三郎§1 研究の背景と目的
光の周波数領域
テラヘルツ波ミリ波

MKIDの動作原理

赤外線

Single pixel of MKID

可視光

0.1 THz
3 mm

10 THz
30 mm

電波としての物質透過性

MKIDの設計
Spiral-MKIDs

Equivalent circuit

Through line

周波数
波長B

1

C1

THz waveTHz wave

光波としての直進性

L →L’

C2

物質透過性、高空間分解能、被ばくが無い。
Resonator

Magnitude S21 [dB]

マイクロ波

A

NbN @4.2K
1QL≈35,000

fc’

力学インダクタンス検出器(MKID)

Spiral resonator

Si lens(W=10 mm，Gap=10 mm)

Frequency [GHz]YBa2Cu3O7-d (YBCO)に着目し、液体窒素温度(77 K)で簡便動作可能なMKIDの実現

テラヘルツ波を広帯域に受信する

Broadband THz antenna
NbN @4.2K

Microwave coplanar
waveguide (CPW)n : Density of Cooper pairs
m: Mass of Cooper pairs
q : Charge of Cooper pairs

Lm : Magnetic inductance
LK : Kinetic inductance2A superconducting spiral-resonator
was coupled with CPW.

2Size ○

マイクロ波共振特性の変化からテラヘルツ波を検出§2 MKIDの作製A

YBCO薄膜の成膜

Sensitivity ◎ bandwidth ◎K. Hayashi et al., Physics Procedia, 45, p.213 (2013).

B

YBCO薄膜の膜質評価

YBa2Cu3O7-d (YBCO) 薄膜をMgO基板上に成膜

MKIDアレイの作製

走査型電子顕微鏡(SEM)観察

X線回折(XRD)

25画素のYBCO製MKIDアレイを作製

超伝導転移温度(Tc)の測定
15584 K2(001)(002)

YRF source

00050100150

Black area : YBCOWhite area : substrate200

1020(007)

30200 nmTc ~ 84 K

MgO substrate

0.5 mm(YBCO bulk : Tc = 93 K)

40

50

Ba60O

702 [degree]

Tem perature [K]

YBCO

Cu

1(004)
Matchingbox

10 mm

5 mm

・25個のスパイラル型の半波長共振器
・共振周波数がそれぞれ異なる周波数分割多重化

500 mmevacuate

10(005)(006)(003)

subst.

substrate

Intensity [ a.u.]

Ar + O2 gas,
Water vapor

Resistance []3YBCOtargetQu≈80,000fc

・高感度、高応答速度、大規模アレイ化が容易
・天文学用途での研究が主流であり、汎用的ではない・超伝導転移温度(Tc)の低い物質(Tc: ~20 K) を用いた研究が大半

反応性RFスパッタリング装置図

High-Q microwave resonator

YBCO epitaxial film precipitates Cu-oxide.

良好な超伝導特性をもつ薄膜を成膜共振器部 Tc : 60 ~ 70 K

MgO基板上に、高いC軸配向性をもつYBCO薄膜を確認§3 MKIDの電気特性評価
共振特性と力学インダクタンス

MKIDアレイのマイクロ波共振特性

クライオスタット
Magnitude S 21 [dB]

10 mm-10

MKID array

MKID chipHe4refrigerator

Vector network
analyzer

共振周波数の温度依存性

共振周波数と磁場侵入長の関係式
10.0-15-20-25

磁場侵入長とインダクタンスの関係式

50 K
11 K

-30
4.6

4.7

4.8

4.9

5.0

5.1

5.2

fc (T ) / fc (Tmin )2 (×10-11)

実験セットアップDataFitting curve

8.0
6.0
4.0
2.0
0.00

10 20 30 40 50 60 70 80

Temperature [K]5.3

Frequency [GHz]共振周波数の温度変化→力学インダクタンスの変化によるもの

共振ディップ数 23本@50 K 25本@11 K
共振周波数 : 温度上昇により低周波数側にシフト

11 ~ 70 K の温度範囲でマイクロ波共振特性（S21）を測定§4 MKIDの光学特性評価
実験セットアップ

白色可視光に対する応答を測定

・光源
LED （白色可視光、11 cd@5.0 V）
・出力
矩形波 （0.5 Hz、Duty 50 %）He4refrigeratorMKID array
Function
generator

Vector network
analyzer

50

LED発光スペクトル

1.0Incident power
9.2 mW

0.00.0100400500600700
W avelength [nm]0.51) + A2  exp( −t2)Frequency

Terahertz (far-infrared)
range
Prototype 25-pixel array Array optimization,
Larger array

4.6 mW

雑音等価電力(NEP)の推定

11 ~ 70 K

1.5 mW

NEP =Operatingtemperature
Sensitivity
Response time

~ 30 ms

1.0
Time [sec]1.5NoiseResponsivity

NEP = 3.7×10-9 W・Hz-1/2

可視光に対する応答性を確認
共振特性の改善による性能向上が必要

今後

Visible light

Pixel size

3020t

A1 = 0.34 , t1 = 30 ms
A2 = 0.069 , t2 = 190 ms

0.5(NSPW500BS)40

現状

時定数の推定y = A1  exp( −@13 K @4.94 GHz

S 21 [nW ]1パルスあたり4.6 mW / resonator

Intensity [mW ]20 mmLight source
Lens

現状と今後

MKIDの光学応答

77 K (LN2 temperature)

NEP ~ 3.7×10-9 W/√Hz lower NEP@13K< 1 ms§5 まとめと今後の展望◼ We fabricated and evaluated an YBCO-based microwave kinetic inductance detector (MKID) consisting of a rewound spiral resonator(Spiral-MKID) by using a cryogen-free He4 refrigerator for terahertz (far-infrared) applications.
技the術response
を 究 め time
、 技and術 NEP.
を 創Theる response time of 30 ms and the NEP of the order of◼ As a first step of the optical evaluation, we measured
10-9 W/√Hz at 13 K were confirmed.
国立大学法人◼ The microwave resonance characteristics will be improved by the optimization of substrates, sputtering conditions and photolithography.

豊橋技術科学大学