13/12/07	

ニュートリノフロンティア	

1	

Nb/Al-STJ, Hf-STJ開発の現状	
筑波大学素粒子実験室
奥平琢也
ニュートリノフロンティア研究会
2013/12/7
1	

13/12/07	

ニュートリノフロンティア	

Out line	u超伝導トンネル接合素子(STJ)uNb/Al-STJの光応答
uHf-STJの光応答
uまとめ2	

13/12/07	

ニュートリノフロンティア	

3	

超伝導トンネル接合素子(STJ)	
現在筑波大学が研究を行っているSTJはニオブとアルミを用いたSTJ（Nb/Al-STJ）とハフニウムを用いたSTJ(Hf-STJ)	

• Nb/Al-STJ	
ロケット実験に用いる予定	
作成方法が確立しており、測定を行う温度は1.8K~0.9K程度	
発生電荷数	

q = GAl!pe
1.7! Nb

GAl : トラッピングゲイン
εp :光子のエネルギー	• Hf-STJ	
将来の衛星実験に用いる予定
希釈冷凍機を用いて100mK以下で測定を行う
原理的にはNb/Al-STJの約70倍のエネルギー分解能を持つ	13/12/07	

4	ニュートリノフロンティア	

測定回路	

基準抵抗	

I	
差動アンプ	

アテネータ
レーザーヘッド	

STJ	

レーザーコントローラー	

V	

冷凍機内	

冷凍機外から光ファイバーを用いて光を照射	

基準抵抗はSTJの抵抗値に対して十分大きいものを用い、STJにとってほぼ定電流源として働く回路を用いている	
STJにレーザーを照射し、STJの両端電圧の変化を測定する

13/12/07	

5	

ニュートリノフロンティア	

Nb/Al-STJの光照射時の電圧変化	
100um×100umのNb/Al-STJに近赤外光(λ=1320nm)と青色光(456nm)のレーザーを照射し、電圧変化を観測 (測定温度:1.8K)	
入射光として50psのパルス光を1回~複数回をまとめて照射した	
近赤外光10パルスをまとめて照射した時の電圧の変化	

~ 1.5us信号の幅

たち下がり時間 ~ 0.3us
信号の幅：1.5us	

立ち上がり時間 ~ 1.2us	

200ns	

青色光1パルスごとの電圧の変化	
300uV	

1.0us	

50uV/div	
90uV	
800ns/div	50uV/div	

各レーザーパルス	

800ns/div	

13/12/07	

6	

ニュートリノフロンティア	

入射フォトン数の評価	
STJの光照射時のパルス応答の波高分布から、入射フォトン数を評価する	
ペデスタル	

ペデスタル領域とシグナル領域を積分し、それぞれの広がりと中心値から入射フォトン数を求める
event	

シグナル	

20pulseEntries

100

499

シグナル	

gainをGと置き、gainに揺らぎがないとするとペデスタル	
80

G ! N! = M
60

G ! ! N! = G N! = ! 2 ! ! p2

40

0-0.1

2σ	

2σP	

20-0.05

00.05

0.1

M	

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

pulse height	

M2
N! = 2" ! " p2M

signal mean!

signal r.m.s	! p pedestal r.m.s	13/12/07	

7	

ニュートリノフロンティア	

可視光照射時のパルス波高分布	
遠赤外光の1photon検出の前段階として可視光(456nm)の1photon検出を目指す	
4um2のSTJに可視光(456nm)の光を2pulse(100ps)照射した。

event	

adc
pedadc160

signal	140

Entries
Entries
4999
4999
Mean
0.009193
Mean -0.0002125
RMS
0.02748
RMS
0.02606

120

M2
N! = 2" ! " p2

10080! p pedestal r.m.s	pedestal	

60

この式を用いて平均フォトン数を求めると	

40

Nγ=1.16±0.33	

200-0.2

M mean! r.m.s	

-0.15

-0.1

-0.05

00.05

0.1

0.15

0.2

pulse height(AU)	

13/12/07	8	

ニュートリノフロンティア	

可視光照射時のパルス波高分布	

各フォトンのピークがポアソン分布に従いペデスタルと同じ広がりを持つ	
平均photon数を変えながら# (x ! n(M / µ ))2 &N obs 10 µ n e! µ(( を描き、それぞれχ二乗を求めた	f (x, µ ) =exp %% !
"22! p2!" p n=0 n!
$'event	adc

f(x,µ=0.93)	の曲線	

160

r2(!)

x2	r 2 (!
Entries

78

Mean xMean y

140

RMS x

76

1photon	

120

RMS y

adc 74

ndf=85	

Entries 4999

72

100

Mean0.009193

RMS 0.02748

80

70
ped

2photon	0photon	60

3photon	

404999Mean-0.0002125

RMS0.02606

6866
0200-0.2

Entriesµ=0.93においてx2が最少値をとる	
0.511.522.5µ	3

これよりSTJが検出したphoton数は	
-0.15

-0.1

-0.05

00.05

0.1

0.15

0.2

pulse hight(AU)		
4um2のSTJに2pulseの可視光(456nm)の光を照射した際のヒストグラム	

Nγ=0.93	 +0.19-0.14	

1photon peakとペデスタルは0.4σ離れている13/12/07	

ニュートリノフロンティア	

9	

光照射時のIVカーブの変化	

可視光(456nm)のパルス光を4um2 のSTJに20MHzで定常的に照射した際のIVカーブの変化	
ここから1pulseあたりに発生する電荷量を推測すると

I	
光なし	

光あり	10nAの変化	

10nA/20MHz=0.5×10-15 C =3.1×103 e	
1pulse当たり3.1×103e程度の電荷が発生していると考えられる。	

V	GAl =6.7とした場合、１pulseあたり0.45photonがSTJに入射していることになる

20nA/div	
0.5mV/div	
Gal=6.7と求めることができた	
光を当てる前と後では電流値が変化する	

13/12/07	

10	

ニュートリノフロンティア	

ノイズを軽減した際に予想される分布	# (x ! n(M / µ ))2 &N obs 10 µ n e! µ((exp %% !
"ノイズを1/10にした場合の	 f (x, µ ) =22! p
2!" p n=0 n!
$'adc
event	
pedadcEntries

4999
Entries 4999

600

Mean-0.0001689
Mean
0.009282

1photon	RMS

0.02597
RMS 0.02734

ノイズを1/10まで軽減することができればペデスタルと1photon peakが4σ程度で分離できる(1photonが単体で検出できる)

500

400

2photon	0photon	

3photon	300

pedestal	

200

1photonを単体で検出するためにはノイズの軽減が必要	
低温アンプの導入が考えられる	

signal	1000-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

00.02

0.04

0.06

0.08

0.1

pulse height(AU)	

13/12/07	

ニュートリノフロンティア	

Hf-STJ	
2011年にのHf-STJを作成に世界で初めて成功
ピクセルサイズが違うHf-STJを作成し、性能評価を行った	

10Gauss印加

200um×200umのHf-STJ
動作温度 : T=80~177mK
Ic=60µA Rd=0.2Ω	100um×100umのHf-STJ
動作温度 : T=39~53mK
Ic=10µA Rd=0.6Ω	
200um×200um、100um×100um
どちらともSTJとしての動作を確認	
ジャンクションサイズを小さくすることによりリークカレントが30％に減少した

10Gauss印加

11	13/12/07	

ニュートリノフロンティア	

12	

Hf-STJの光応答	可視光(456nm)のパルス光をHf-STJに100kHzで定常的に照射した	
青 ：光未照射黒 : 光照射	
50 µA/DIV	

20 µV/DIV	

約10uA程度の増加	

光を照射したことにより電流が増加していることがわかる	

フォトンによる発生電荷量を概算すると10uA/100kHz=1.0×10-10C/pulse=6.2×108e/pulse

13/12/07	

ニュートリノフロンティア	

13	まとめ	• Nb/Al-STJに近赤外光と可視光を照射し、その信号の時間特性が私たちの実験に適していることを確認した• 平均photon数1photon程度の可視光による信号を観測した。1photon

peakとペデスタルとは0.4σ程度離れている。
ノイズとペデスタルを4σ程度分離するためにはノイズを1/10程度にする必要がある• 今後は測定系の低ノイズ化、1K程度で動作する低温アンプの導入などが考えられる。
SOI-STJなどが候補としてあげられる。
• Hf-STJの作成に世界で初めて成功し、光に対する応答を確認した

今後詳細な測定を進めていく必要がある