CRAVITY 製 Nb/Al-STJ 評価
筑波⼤学 森内航也 CiRfSEワークショップ2016年1⽉19⽇

筑波⼤数理，理研A，KEKB，岡⼭⼤C，福井⼤学D, 近畿⼤学E, 関⻄学院⼤F,静岡⼤G, JAXAH, AISTI, FermilabJ, Seoul Nalt. Univ.K
森内航也，⾦信弘，武内勇司，武政健⼀、⽊内健司、永⽥ 和樹、笠原宏太、先崎蓮、⼋⽊俊輔、美⾺覚A，新井康夫B, 倉知郁⽣B,⽻澄昌史B，⽯野宏和C, 吉⽥拓⽣D, 広瀬⿓太D, 加藤幸弘E, 松浦周⼆F, 川⼈祥⼆G,⾺場俊祐H,池⽥博⼀H, 和⽥武彦H,
⻑勢晃⼀H, 志岐成友I, 浮辺雅宏I, 藤井剛I, ⼤久保雅隆I , Erik RambergJ, Paul RubinovJ, Dmitri SergatskovJ, Soo-Bong KimK
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ニュートリノ崩壊光探索

質量の⼩さいニュートリノに崩壊するときに放出する光⼦のエネルギーを測定する•質量の測定ニュートリノ振動実験による結果()と合わせることでニュートリノ質量の決定。
•ニュートリノ崩壊の寿命
SMでは寿命10，Left-Right Symmetric Model では
現在の実験による寿命の下限値は10
我々の実験では寿命の下限値引き上げも⽬指す。

ニュートリノ崩壊光探索実験

⻑いニュートリノ寿命 > 1012year⇒⼤量のニュートリノ源：
宇宙背景ニュートリノの崩壊光の観測

超伝導検出器

Zodiacal light
AKARIデータのFit

Photons from Neutrino decay：シミュレーション

検出器
2550を仮定∶ 16~31meV ( ∶ 40 80 m)の領域でスペクトルを測定。
遠⾚外領域で⾼いエネルギー分解能が可能である。

⇒102

Energy resolution =5%
Energy resolution =0%

STJ (Superconducting Tunnel Junction)
STJは超伝導体/絶縁膜/超伝導体の接合で形成された素⼦（ジョセフソン素⼦）である

検出器としての動作原理

1.超伝導体層のクーパー対が光⼦を吸収し、準粒⼦ を⽣成。
2.上部超伝導層から下部超伝導層に電圧をかけておくことで準粒⼦がトンネルし、電流が⽣じる。
3.トンネル電流を測定する。

トラッピングゲイン（STJ内での増幅機構）

Al層があることにより、絶縁膜付近での準粒⼦寿命が延びる。
トンネルした粒⼦がクーパー対に戻ろうとするとき別のクーパー対を破壊。

準粒⼦⽣成数1.7∆: Al層によるトラッピングゲイン
E ：⼊射光⼦のエネルギー
NbAlK)

9.23

1.20

エネルギーギャップΔ(meV)

1.550

0.172

転移温度

Nb

Al

絶縁膜

Al

Nb

3

STJの電流電圧特性

測定回路

磁場を印加しジョセフソンカレントを抑制し、検出器として動作させる。
動作電圧では光⼊射なしでも電流が流れる（リークカレント）。
・熱励起された電⼦のトンネル
・測定系起因-絶縁膜に垂直な磁束の侵⼊よるリークカレントの増⼤-測定系の振動による準粒⼦の発⽣-測定回路のGNDの不安定性・絶縁膜の⽋陥に流れる電流•Nb/Al-STJのI-V曲線

熱起因のリークカレント
右図から超伝導転移温度の1/10程度の温度で熱起因の成分は抑制される。

リークカレント温度依存性からΔ=0.58meV

・ measured data
― theoretical value

5nA

40.4K

電流電圧特性100μm x 100μm Nb/Al-STJ

Nb/Al-STJ光応答測定

7nA@0.4mV
10nA/div
0.2mV/div

リークカレント 7nA@0.4mV~0.4mVの電圧で動作させたときの光応答
Charge amp. :ORTEC142C
Sheper amp. :ORTEC671
可視光、遠⾚外光の１光⼦信号の測定には低ノイズの測定系の構築が必要
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Nb/Al-STJの開発
25meVの１光⼦検出への要請

25meVの１光⼦に対して、200e-程度（Gal=10,信号幅1.5μsを仮定、Δは測定値0.57meV）STJの信号幅1.5μsに200e-が流れる。
⇒信号がノイズに埋もれないためにリークカレントの低減が必要
リークカレントへの要請 200pA以下・測定系改善によるノイズ低減⇒極低温から室温までの読み出し線にのるノイズと信号の分離
STJ素⼦のすぐ近くで信号を増幅
・極低温動作可能な増幅回路開発
SOI-FETを⽤いた回路の開発
本発表では以下の項⽬について報告する。
・STJの静電容量測定
・ノイズ低減のための測定系の改善
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STJ静電容量の測定

測定回路

STJの静電容量は信号増幅回路の設計のため値を知っておく必要がある
測定⽅法

1.極低温でのSTJの電流電圧特性の測定
ファンクションジェネレータ(FG)からsine波を⼊⼒し、I-Vを測定
10, 500, 1000, 2000Hzの複数の周波数でI-Vの測定,ヒステリシスをみる

STJの等価回路

2.回路シミュレータで実際の測定をシミュレートさせる
STJの等価回路として右図の回路を仮定
電流電圧特性をtangent 関数で近似
Cstjの数値を変え、測定結果との⼀致をみる

電流源( tan )信号源：STJのI-V曲線を表す
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STJ静電容量の測定結果
Nb/Al-STJ電流電圧特性
100μm⾓の素⼦、Sin波2000Hzで測定

右図は100μm⾓STJの静電容量測定
静電容量1.38nF
各サイズの測定結果
20um⾓ :0.83 ± 0.05 nF
50um⾓ :0.85 ± 0.12 nF
100um⾓ :1.38 ± 0.10 nF
配線寄⽣容量~0.8nFnA

静電容量測定結果は測定系の寄⽣容量込み。
⼩さいジャンクションサイズのSTJでは配線寄⽣容量が⽀配的。
8－ 実測

1.7nF
シミュレーション 1.45nF
1.1nF

mV

筑波⼤学の測定系の改善
3He減圧冷凍機
最低温度300mKで測定可能 ->熱起因リークカレント
は⼗分抑制できる・素⼦に⼊る外部磁場へのシールドステージを筒上に囲むように磁場シールドの設置

測定回路のGNDの安定化
最低温ステージ
冷凍機筐体を測定回路のGNDとし、読み出しで⽤いるオシロスコープ、差動アンプ等の接地し安定させる

・

この位置に磁場シールドを設置
9測定系改善後の結果
回路GNDの安定化

・レモケーブルの外部導体でのみ接続されていたGNDを新たにシールド線を設置し接続を強化
リークカレント 〜10nA → 300pAに低減(50μm⾓)〜10nA → 500pAに低減(20um⾓)

50μm⾓ Nb/Al-STJ 電流電圧特性
温度：0.3K20μm⾓ Nb/Al-STJ 電流電圧特性
温度：0.3K

300pA@0.4mV

500pA@0.4mV
1nA

500pA
0.2mV

0.2mV
10

光応答測定λ=465nm パルス光測定
Shaper amp.
shapeing time :10us
gain:10
1MΩ
150nF
Stj
1パルス光応答信号

2V
40us11

測定結果

Stj
1パルス光応答信号

積分値の分布ped adc

2V40us

Χ⾃乗分布光⼦数がポアソン分布することを仮定
右図はある光⼦数を仮定した場合の積分値分布のχ⾃乗分布
信号値 6.6光⼦相当
1光⼦信号はペデスタル分布の2.5σあたり

12preliminaryまとめ・測定系の改善
磁場シールド、測定回路GNDの安定化によりノイズが低減~10nA → 300pA @ 0.4mV (junction size 50μm x 50μm)~10nA → 500pA @ 0.4mV (junction size 20um x 20um Nb/Al-STJ)・光応答測定6.6光⼦相当の信号を測定できた。
結果からペデスタルの2.5σあたりに1光⼦信号が予想できる。
今後-さらなるノイズ軽減-ノイズ軽減された測定系で光応答評価を⾏う-光強度を絞り光応答測定を⾏い、可視光１光⼦観測を⾏う
・STJ静電容量測定
配線容量込みで100μm⾓の素⼦で1.38 ± 0.1nF
今後-同サイズ複数素⼦の測定からばらつきをみる
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