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印は登壇者, ★は応用物理学会北海道支部発表奨励賞審査希望者の講演
印は日本光学会員の講演※

第 59 回 応用物理学会北海道支部
第 20 回 日本光学会北海道支部
合同学術講演会予稿

A 会場（B12 講義室）
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1 月 7 日（日）10:00 ~ 11:15

座長：関根 ちひろ（室工大）

BiS2 係超伝導体 La(OF)BiS2 の鉛置換効果と超伝導 ★
○佐々木 美空, 下山 将太, 中村 泰士, 中村 哲太, 柴山 義行, 桃野 直樹（室蘭工大院）
電気二重層トランジスタを用いた LaNiO2 超薄膜の超伝導相探索
トランジスタ高性能化の検討○(B4) 小浦姿 1 , 香田 匡貴 1 , 新谷 和司 1 , 下田 周平 2 , 迫田將仁 1（北海道大学工学部 1 北海道大触媒研究所 2）
放電プラズマ焼結法によるLn2-xCexCuO4(Ln=Nd, Pr, Sm, Eu)の合成 ★
○伊藤由将, 黒沢将平, 横田晴飛, 柴田浩行
（北見工業大学大学院 工学専攻）
超伝導ワイドストリップ光子検出器 SWSPD の作製 ★
○大室 智士、柴田 浩行（北見工業大学大学院 工学研究科）
裏入射型 NbTiN-SNSPD の開発○
両瀬隆宏 1, 中野和佳子 2, シェン・ペン 1, 柴田浩行 1（北見工業大学 1, 北海道大学電子科学研究所 2）

BiS2 係超伝導体 La(OF)BiS2 の鉛置換効果と超伝導Pb substitution effects and superconductivity of the BiS2-based superconductors La(OF)BiS2
室蘭工大院 〇佐々木 美空, 下山 将太, 中村 泰士, 中村 哲太, 柴山 義行，桃野 直樹
Muroran Inst. of Tech. 〇M. Sasaki, S. Shimoyama, Y. Nakamura, T. Nakamura,Y. Shibayama, N. Momono
BiS2 系超伝導体は LnO (絶縁層)と BiS2 (伝導層)が c 軸方向に積み重なる正方晶の層状構造をしており，鉄ヒ素系超伝導体などの高温超伝導体と同様な構造であることから，その超伝導発現機構に関心がもたれている．この系は超伝導に対する圧力効果に特徴がある．例えば，LaO0.5F0.5BiS2 では，~1GPa 以上の圧力下で超伝導転移温度 Tc が 2K から~10K に大きく上昇する[1,2]．さらに Tc の上昇が見られる圧力では，結晶が正方晶 (P4/nmm) から単斜晶 (P21/m) へ構造相転移することが報告され，Tc と結晶構造との関連が示唆されている[3]．さらに物理的な圧力だけではなく，化学圧力効果でも Tc の上昇が報告されている[4]．特に Bi を Pb に置換した
LaO0.5F0.5Bi1-xPbxS2 では，化学圧力効果だけでは説明できない Tc の変化が報告され（x=0.06~0.10），
150K 付近における電気抵抗の異常も報告された[5]．本研究ではこの電気抵抗の異常と Tc との関連を調べるため，LaO0.5F0.5Bi1-xPbxS2 の単結晶試料について，電気抵抗，熱膨張，比熱，ゼーベック係数の測定を行った．
図 1 に x=0.10 の比熱と線膨張率の結果を示す．比熱と線膨張率に 150 K 付近で異常がみられ，しかもヒステリシスを伴っていることがわかる．この異常が起きる温度を T*とすると，T*は先行研究での結果と一致する。線膨張率や比熱の振る舞いから，T*では一次構造相転移が起きていると考えられる. 当日は比熱，熱膨張のほかに，ゼーベック係数の結果にも触れ，電気抵抗の異常と Tc の関連について議論する予定である．

図 1 (a) LaO0.5F0.5Bi1-xPbxS2 の比熱の温度依存性 (x=0.10) (b) 線膨張率の温度依存性(x=0.10)[1] R. Jha, H. Kishan. et. al. J. Phys. Chem. Solids 84 (2015) 17-23[2] H. Kotegawa. et. al. J Phy. Soc. Jpn. 81 (2012) 103702.
[3] R. Higashinaka. et. al. J. Phys. Soc. Jpn. 84, 123703 (2015)[4] Y. Mizuguchi. et. al: Sci. Rep. 5 (2015) 14968.
[5] S.Otsuki et al. Solid State Comn. 270 (2017)17-21

電気二重層トランジスタを用いた LaNiO2 超薄膜の超伝導相探索
Investigation of superconducting phase of LaNiO2 ultrathin film using electric
double-layer transistor
北海道大学工学部 1 北海道大触媒研究所 2
Hokkaido University, School of Engineering1. Hokkaido University, Institute for Catalysis. 2○(B4)小浦姿 1, 香田 匡貴 1, 新谷 和司 1, 下田 周平 2, 迫田將仁 1○Sugata Koura1, Masaki Koda1, Kazushi Shinya1, Shuhei Shimoda2, Masahito Sakoda1

E-mail: kora.sugata.c9@elms.hokudai.ac.jp

ニッケル酸化物は、Ni+が Cu2+と同様に 9 個の 3d 電子をもつ電子構造をとるという銅酸化物との類似性から超伝導相の発見が期待されてきた。LaNiO2 においてニッケルが Ni+の状態を取る上に、LaNiO2 が NiO2 面の無限層構造を持つことが報告された。そして、2019 年に Nd1-xSrxNiO2 においてニッケル酸化物で初の超伝導が発見された [1]。また、2020 年には Pr1-xSrxNiO2 で[2]、2022年には La1-xCaxNiO2 でも超伝導の発現が報告された [3]。これらのニッケル酸化物では、3 価の希土類元素を含むペロブスカイト構造を持つ MNiO3(M = La, Pr, Nd)を母物質とし、それを還元して得られる無限層構造を持った MNiO2 の Ni+の価数を、元素置換により変化させることで、超伝導が発現している。
我々は、このニッケル酸化物の価数に着目し、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタを使用した直接的なキャリアドープによる超伝導の発現を目標とした。電気二重層トランジスタとは、試料に接触させたゲート絶縁体に電圧を印加し、試料のキャリア密度を変調させるトランジスタで、その概略図を Fig. 1 に示す。これを用いることで、LaNiO2 におけるキャリア数を自在に調節することや、元素置換により生じる LaNiO2 の構造的変化を抑制することが出来る。今回我々は、LaNiO3 超薄膜を MBE 法により作製した後、それを還元して得られる LaNiO2 超薄膜に対し、電気二重層トランジスタを用いて、これまで超伝導が報告されているホール方向に加えて電子方向に対してもキャリアドープを行い、抵抗率の温度依存性をはじめとした物性を測定した。当日は、LaNiO2 超薄膜の温度による抵抗率変化のゲート電圧による依存性をはじめとした実験結果を報告する予定である。
Fig. 1 Schematic diagram of the electric double-layer transistor

Reference[1] D. Li et al, “Superconductivity in an infinite-layer nickelate.”: Nature572, 624–627 (2019).
[2] M. Osada et al. “Phase diagram of infinite layer praseodymium nickelate Pr1-xSrxNiO2 thin films”[3] S. Zeng et al. “Superconductivity in infinite-layer nickelate La1-xCaxNiO2 thin films”: Science Advances,
Volume 8, Issue 7 (2022)

放電プラズマ焼結法による
Ln2-xCexCuO4(Ln=Nd, Pr, Sm, Eu)の合成
北見工業大学大学院 工学専攻
〇伊藤由将 黒沢将平 横田晴飛 柴田浩行
【はじめに】【実験内容】
原料粉末 Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Pr6O11、究室では放電プラズマ（SPS）法を用いた合成

CeO2、CuO をそれぞれ規定量秤量、混合を行を試みている。
この方法は、粉末に機械的に加1ったのち、900℃で 20 時間仮焼きした後、ペ圧しながら電圧を印加することによって、短レットを作成し、1070℃で 16 時間本焼きを時間で均一に固相反応を行うセラミックス合0.5行った。その後、SPS 法を用いて、加圧によ成法である。SPS 法は真空中合成であるため、る固体試料の破壊を防止するために粉末試料

ホールドープ型高温超伝導材料の場合、SPS 後で挟み、通電性のあるカーボン型に入れ、に酸素アニールが必要であるが、電子ドープ
01020304050

700℃～900℃で一定時間アニールを行った。

型超伝導体 Ln2-xCexCuOPr, Sm, Eu)
温度
T(K)4(Ln=Nd,

合成試料について 4K 冷凍機と 4 端子法によの場合は酸素アニールが不要となり SPS 法にる臨界温度 Tc の測定、XRD による定性分析

適 し て い る と 考 え ら れ る 。 ま た 、 Ln2-を行った。

CexCuO4(Ln=Nd, Pr, Sm, Eu)は、真空中の超【実験結果】

規格化抵抗率 ρ(T)/ρ(50K)1.5
高温超伝導材料合成法の一つとして、本研

Nd

Sm0x高圧合成（6GPa）によって超伝導特性が向上

図 2 に SPS によって真空中 800℃でアニすることが知られており[1]、SPS 合成によるー ル し た特性向上が期待できる。本研究では SPS 法を

Sm1.85Ce0.15CuO4 の抵抗率の温度依存性を示用いた Ln2-xCexCuO4(Ln=Nd, Pr, Sm, Eu)の合す。各々、Tc が約 20K および 10K の超伝導成を試みた。

を示した。
講演では、
Ln=Pr,Eu について SPS

Nd1.85Ce0.15CuO4 お よ び

処理した試料の抵抗率の温度依存性および真空チャンパー内磁化率測定結果についても報告する。

圧力・電流

粉末試料
固体試料
粉末試料

カーボン焼結型
図 2
図 1 SPS 装置

SPS ア ニ ー ル し た Ln1.85Ce0.15CuO4(Ln=Nd, Sm) の規格化抵抗率温度依存性

超伝導ワイドストリップ光子検出器（SWSPD）の作製
北見工業大学大学院○大室 智士、 柴田 浩行
はじめにこれまで幅約 100nm の超伝導ナノストリップを用いた単一光子検出器（SNSPD）が開発されているが、近年、数マイクロメートル幅の超伝導ストリップを用いた単一光子検出器（SMSPD）も実証されている[1]。しかし、10μm を超える幅の広い超伝導ストリップを用いて単一光子を検出することは困難であった。ごく最近、ストリップ全体で 2 つの異なる臨界電流（Ic）を持ち、エッジ領域が中央領域よりも高い臨界電流を持つ超伝導ストリップ構造である、高臨界電流バンク（HCCB）構造（図 1）を用いた幅 20μm の窒化ニオブチタン（NbTiN）超伝導ワイドストリップ光子検出器（SWSPD）が実証された[2]。本研究ではコンタ
クトアライナーを用いたフォトリソグラフィ法によって窒化ニオブ（NbN）を用いた SWSPD を試作したので報図 1 SWSPD 概略図
告する。

実験と結果

3.00E-04

抵抗率（Ω）

MgO 基板上に NbN 薄膜をロードロック式スパッタ装置により厚さ 3.3nm 製膜した。次に真空蒸着装置およびフォトリソグラフィによりCr,Ag 電極を作製した。更にフォトリソグラフィを用いて幅 20m の細線パターンを作製した。
その後、4K 冷凍機を用いて作製した超伝導細線の抵抗率および I-V 特性を測定した。抵抗率
測定結果を図 2 に示す。Tc=10.62K が得られた。次に、作製した幅 20m の細線を用いて、フォトリソグラフィおよび Ar ドライエッチングにより低 Ic 領域を追加で加工し、再び冷凍機で抵抗率および I-V 測定を行った。I-V 特性結果
を図 3 に示す。バンク構造がない場合はIc=8.2mA、ある場合は 4.5mA となった。バンク構造がある場合も Ic の低下した良好な IV特性が得られていることから、光子検出可能と期待できる。
光検出測定結果の詳細は講演で報告する。

Ic=1.08mA2.00E-04
1.00E-04
0.00E+00
051015

図 2 NbN マイクロ細線の抵抗率温度依存性

参考文献[1] K. Korneeva et al., Phys. Rev.
Appl. 9, 064037 (2018).
[2] M. Yabuno et al., Optica Quant. 1,26 (2023).
謝辞
本 研 究 の 一 部 は JSPS 科 研 費（JP21K04170）の助成により実施された。

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図 2 NbN20μ 幅細線の I-V 特性
温度（K）

図 3 NbN マイクロ細線の I-V 特性

裏入射型 NbTiN-SNSPD の開発
北見工業大学 1, 北海道大学電子科学研究所 2〇両瀬隆宏 1, 中野和佳子 2, シェン・ペン 1, 柴田浩行 1[背景]
超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD)は高速で高検出効率や低暗計数率など優れた特性を持ち、様々な分野で応用が進んでいる。当研究室では厚さ 7nm の窒化ニオブチタン(NbTiN)を用いた SNSPD の検出効率 50％が最高の値となっており、本研究においては膜厚や製膜条件などはこの試料と同じとして以下の 2 つを新たに条件として加え検出効率の向上を試みた。
(1) 過去の試料では細線幅と絶縁幅は等しかったが、メアンダ構造の細線が曲がる部分において局所的に電流密度が増加し臨界電流が抑制される効果が知られており[1]、今回の試料では細線幅に対して絶縁幅を 2 倍とすることで曲がりを緩やかにして臨界電流の向上を図った。
(2) 先行研究では NbTiN-SNSPD に He イオンを照射すると臨界電流は減少するものの検出効率は大きく向上したという報告がある[2]。そのため本研究ではドライエッチング装置を用いてNbTiN に He イオンを照射したものと照射していないもので SNSPD を作製し比較を行った。
[実験と結果]DC マグネトロンスパッタ装置で 2 つの熱酸化 Si 基板上に NbTiN を 7nm 製膜し、一方には He イオンを照射した。その後、北海道大学で電子ビーム描画とドライエッチングにより線幅 60-110nmのメアンダ構造に加工し(図 1)、さらに光吸収効率の向上のため原子層堆積装置及びヘリコンスパッタ装置で Al₂O₃と Au 層の光キャビティ構造を作製した(図 2)。

(a)15μm
図1(b)

180nm
図2メアンダ構造 (a)5 千倍 (b)10 万倍

光キャビティ構造
8イオンを照射した試料では臨界電流の大幅な減少が6確認された。また、照射していない試料について、臨界電流は 10μA 以下で過去の試料の数値を下まわっており、これは図 1(b)で見られるように細線幅が設計値より狭くなったためと考えられる。絶縁幅増加による臨界電流増加は確認できなかった。検出効

電流(μA)

作製した SNSPD の IV 測定の結果を図 3 に示す。He-1He無し4He有り

20-0.500.5-2電圧(V)率など詳細な光測定結果については講演で報告する。

-4

図 3 IV 特性(線幅 110nm)
参考文献[1] A.Engel et al, Supercond. Sci. Technol. 28 114003(2015)[2] S.Strohauer et al, Adv. Quantum Technol. 2300139(2023)

謝辞 本研究の一部は JSPS 科研費（JP21K04170）の助成により実施された。

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