●フロンティアサラ
イイエフンス

明連・田井野・成瀬研究室
URL : http://www.super.ees.saitama-u.ac.jp■研究者
明連広昭 教授
成瀬雅人 助教

情報通信

田井野徹 准教授■研究テーマ●広帯域超伝導フォトン検出器の研究●ＴＨｚ波分光用超伝導検出器の研究■キーワード超伝導トンネル接合、フォトン検出器、光子数検出器、力学インダクタンス検出器

環境

明連広昭 教授

田井野徹 准教授

成瀬雅人 助教■産業界の相談に対応できる技術分野
THz分光、赤外線分光、X線分光、情報通信、放射線検出器■主な設備
超伝導トンネル接合作製装置一式、ＴＨｚ波パルス光源、
3Ｈｅクライオスタット、電磁シールド室
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ŇłřȁıĵĹĮĹĶĹĮĺĵĲĺ ŦιȜσȁŤŰŪŤĮūŪŮŶŁŮŭįŴŢŪŵŢŮŢĮŶįŢŤįūű

研究概要
研究概要

「超伝導検出器」で、フォトンを高分解能、「超伝導検出器」
で、フォトンを高分解能、高感度に検出します。
高感度に検出します。
◆THz波光源（奥：励起光源と手前：非線形光学結晶）

特徴と強み
特徴と強み

超伝導検出器や超伝導デジタル信号処理回路、極低温−室温インターフェース技術の統合による検出器の普及を目指します。
合による検出器の普及を目指します。
◆◆
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超伝導フォトン検出器の動作には、極低温環境（超伝導転移温度の約10分の１の温度）と超伝導電流を抑制するための磁場の印加が必要です。当研究室では、二次元形状に正規分布関数形状を採用することで、従来の数分の一の磁場で動作可能な超伝導トンネル 接 合 素 子を完 成させました（ N o r m a l Distribution-Function shaped STJ : NDF-STJ）。
さらに、超伝導デジタル集積回路作製技術を用いて、超伝導トンネル接合素子上に集積されたマイクロストリップコイルを作製し、コイルに超伝導永久電流を流すことで磁場を発生する方法を提案しています（On-Chip Coilintegrated STJ : OC2-STJ）。
OC2-STJは、磁場を超伝導トンネル素子近傍のみに発生することから、磁場に弱い超伝導デジタル回路による信号処理回路を検出素子と共存することが可能となりました。
これらを一つのシステムにまとめた検出器システムが完成すれば、高感度、高分解能なフォトン検出システムが普 及 すると考えられます。主な用 途は、THz波分光、赤外線分光、量子情報通信、X線分析などの分野における高性能な検出器です。高分解能、高感度で高速な検出器の特性を活かして、高分解能スペクトルの取得、短時間測定、微量元素の高感度測定などが可能となることを期待されています。

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技製術造︵ものづくり︶

マイクロストリップコイルを集積した正規分布
形状超伝導トンネル接合フォトン検出器

社
会
基盤

今後の展開
今後の展開

クライオジェンフリー冷凍機でクライオジェンフリー冷凍機で極低温動作検出器を身近に◆◆◆ɟɟɟ
超伝導フォトン検出器の動作には、極低温環境が必要です。
近年の極低温冷凍機技術の発展によりクライオジェンフリー（無冷媒）
極低温冷凍機が開発され、特殊な知識が無くても自動的に極低温環境を得ることができるようになってきました。
これと、極低温検出器、超伝導信号処理回路、極低温−室温インターフェース技術を融合してユーザーフレンドリーな超伝導検出システムの構築を目指します。
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本研究室ではこれらの実現に向け、理化学研‫ݪ‬ਫ਼Ȫგ࢕Ȃ୵రȫȂॲުܿ੅௙ࣣࡄ‫ݪ‬ਫ਼Ȃ࣭
究所（和光、仙台）、産業技術総合研究所と共同で研究を行っています。
その成果は、学ၛഛ໲ర͂‫ވ‬൳́ࡄ‫̳̞࣐̀̽ͬ͘ݪ‬ȃ̷͈
術雑誌への論文投稿、国内や国際会議で精଼‫͉ض‬Ȃ‫੅ڠ‬ॠধ͈͒ა໲ൎࣂȂ࣭ඤ࣭͞ष
力的に発表を行っています。
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超伝導体を用いた検出器は、生体磁気計
಼ഥ൵ఘͬဥ̞̹࠿੄‫͉ܕ‬Ȃ୆ఘঽ‫ࠗܨ‬
測に用いられている超伝導量子干渉デバイス
௶ͅဥ಼̞̞ͣͦ̀ͥഥ൵ၾঊۙખΟΨͼΑ（SQUID）に代表されるように、半導体などをȪŔŒŖŊŅȫͅయນ̯̠ͦͥ͢ͅȂ฼൵ఘ̈́̓ͬ
用いて構成した検出器に比べて高分解能、ဥ̞̀ࢹ଼̱̹࠿੄‫ͅܕ‬๤͓̀ࣞ໦ٜෝȂ
高感度、高速などの優れた性能が期待されࣞۜഽȂࣞ௸͈̈́̓࿹̹ͦ଻ෝ̦‫ܢ‬ఞ̯ͦ̀ています。
当研究室では、超伝導トンネル接̞̳͘ȃ ൚ࡄ‫ݪ‬৒͉́Ȃ಼ഥ൵ΠϋΥσ୪ࣣ合を用いたフォトン検出器に着目して研究をͬဥ̞̹έ΁Πϋ࠿੄‫ͅܕ‬಍࿒̱̀ࡄ‫࣐̽ͬݪ‬
行っています。
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超伝導体は、半導体のエネルギーギャップ಼ഥ൵ఘ͉Ȃ฼൵ఘ͈΀ΥσΆȜΆλΛί(eVオーダー)に比較して、およそ千分の一のĩŦŗ΂ȜΘȜ Īͅ๤‫̱̀ڛ‬Ȃ̷̤͢୷໦͈͈֚
超伝導エネルギーギャップ(meVオーダー)を಼ഥ൵΀ΥσΆȜΆλΛίĩŮŦŗ΂ȜΘȜ Ī̞̳ͬ̽̀͘͜ȃ ಼ഥ൵έ΁Πϋ࠿੄‫͉ܕ‬Ȃ಼̭͈ഥ൵΀ΥσΆȜΆλΛί̱ͬٚ̀࢕ঊͅ
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もっています。超伝導フォトン検出器は、
このఉ̩Ȃ΀ΥσΆȜ໦ٜෝ͉ĩĲĭıııĪĲȟĳ ľĴı෼࢜
超伝導エネルギーギャップを介して光子によષ̳ͥ͂ࡉୟ̳ͣͦ͘͜ȃ ΀ΥσΆȜ໦ٜෝ
り励起された準粒子(超伝導電子対が乖離し͈࢜ષͅ‫̢ح‬Ȃ಼ഥ൵ΠϋΥσ୪ࣣͬဥ̞ͥ͂て常伝導電子として振る舞う)が超伝導トン
୤‫ٸ‬஌̥ͣř஌̤͍͢Ϲ஌͈ౙ֚࢕ঊ͈΀Υネル
接 合（ S u p e r c o n d u c t i n g T u n n e lσΆȜ໦८߿͈έ΁Πϋ࠿੄‫̦ܕ‬৘࡛‫خ‬ෝ́Junction: STJ）をトンネリングします。
このト̳ȃ ࢕έ͹ͼΨȜ೒૞ఝ͈෨ಿ̤̞̀͜ͅˍ࢕
ンネル電流による電荷量が、入射したフォトンঊ͈࠿੄̦‫خ‬ෝ́Ȃ಼̯ͣͅഥ൵΀ΥσΆȜ（光子）のエネルギーに比例することを利用しΆλΛίͤ͢΀ΥσΆȜ͈ఱ̧̞ŕŉŻ෨̤ͅています。
光子の入射による励起電子の個数̞̀͜࢕௵͈΀ΥσΆȜ௶೰̦‫خ‬ෝ̜́ͤȂは半導体と比較して約1,000倍多く、エネルอ૦ਔ෨ତ‫خ‬་͈ŕŉŻ෨࢕࡙͂ழ̵͙ࣣͩ
½ =30倍向上すると見ギー分解能は(1,000)̹ŕŉŻ෨໦࢕̤̫ͥࣞۜͅഽŕŉŻ෨࠿੄‫ܕ‬
積もられます。
エネルギー分解能の向上に加̱͂̀͜‫ܢ‬ఞ̯̞̳ͦ̀͘ȃえ、超伝導トンネル接合を用いると赤外線かႁ‫ͼڠ‬ϋΘ·ΗϋΑ࠿੄‫͉ܕ‬Ȃ಼ഥ൵ഥ௣
らX線およびγ線の単一光子のエネルギー分஌Ⴙͬဥ̞̹ζͼ·υ෨‫ވ‬૦‫଼̯ͥͦࢹ́ܕ‬散型のフォトン検出器が実現可能です。光έ΁Πϋ࠿੄‫̳́ܕ‬ȃࣞۜഽ̥̾ఉளঊ‫ͅا‬フ
ァイバー通信帯の波長においても１光子のഐ̱̤̀ͤȂഛ໲‫ڠ‬۷௶௡౾̫࢜ͅ‫ڰ‬อ̈́‫ٳ‬
検出が 可 能 で 、さらに超 伝 導エネルギーอ̧̦࣐̱̹ͩͦ̀͘ȃ൚ࡄ‫ݪ‬৒͉́ႁ‫ڠ‬
ギャップよりエネルギーの大きいTHz波におͼϋΘ·ΗϋΑ࠿੄‫̱̥̀ڰ͙ͬޑ͈ܕ‬Ȃഛ໲
いても光束のエネルギー測定が可能であり、‫ڠ‬ဥͅଲ‫ٮ‬डࣞۜഽͬ̾͜ഩ෨΃ιρ͈ࡄ‫ݪ‬
発振周波数可変のTHz波光源と組み合わせ‫ٳ‬อ࣐̞͕̥ͬ̽̀ͥȂ૙຦ͅ‫ͥͦ͘܄‬༶ৣ
たTHz波分光における高感度THz波検出器
଻໤ৗၾͬ௶೰̧́ͥΏΑΞθͬ‫ٳ‬อಎ́としても期待されています。
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3Heクライオスタットの内に設置したフォトン検出器
力学インダクタンス検出器を用いた電波カメラ

超伝導デジタル回路の特性測定装置一式

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