超伝導検出器と SOI 極低温アンプ
2016年3月2日 /光量子計測器ワークショップ
＠筑波大学総合研究棟

武内勇司 (筑波大 数理物質融合科学センター)
on behalf of Neutrino Decay Collaboration
S. H. Kim, K. Takemasa, K. Kiuchi, K. Nagata, K. Kasahara, K. Moriuchi, R. Senzaki,
S. Murakami, S. Yagi (U. Tsukuba), S. Matsuura (Kwansei Gakuin U.), H. Ikeda, T.
Wada, K. Nagase (JAXA/ISAS), H. Ishino, A. Kibayashi (Okayama U.), S. Mima(RIKEN), T. Yoshida, R. Hirose, Y. Kato, C. Asano, T. Nakamura (U. Fukui), Y. Kato(Kinki U.), Y. Arai, M. Hazumi, I. Kurachi (KEK), S. Shiki, M. Ukibe, G. Fujii, M.
Ohkubo (AIST), E. Ramberg, J. H. Yoo, M. Kozlovsky, P. Rubinov, D. Sergatskov(FNAL), S. B. Kim (Seoul National U.) and S. Kawahito (Shizuoka U.)
1

Superconducting Tunnel Junction (STJ)• Superconductor / Insulator /Superconductor
Josephson junction device2Superconductor
Insulator

E

300nm

Ns(E)
Superconductor
Superconductor
Insulator

Δ: Superconducting gap energy
接合面を挟んで電位差(|V|<2Δ)を印加.
超伝導体に吸収された光子のエネルギーにより複数のクーパー対が解離(励起)し，生成された準粒子によって，エネルギーに比例したトンネル電流が発生．
• 超伝導ギャップ(Δ)は遠赤外フォトンのエネルギーよりもずっと小さい 
原理的には，遠赤外域一光子を検出可能• ~s 程度の比較的高速なパルス応答(Nbの場合)  光子計数することでS/Nの著しい向上
2

STJ I-V 特性• STJの電圧ー電流特性(I-Vカーブ)
 V=0においてクーパー対のトンネル電流(直流ジョセフソン電流) ,|V|>2 の領域で準粒子の電流(通常の抵抗)が見られる

2Δ

B field
Leak current
光入射の場合ジョセフソン電流は，磁場を印加することで抑制する．
3

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索への応用• 宇宙背景ニュートリノ(C𝜈B)におけるニュートリノ崩壊 𝜈3 → 𝜈1,2 + 𝛾– 標準模型を超えるニュートリノの異常磁気能率の探索– 宇宙背景ニュートリノの直接観測– ニュートリノ質量の絶対値の決定• 標準模型による寿命予言値： 𝜏 = Ο(1043 yr𝑠)
• 測定による寿命下限値： 𝜏 > Ο(1012 yr𝑠)in the 3 rest frame𝛾

𝜈3
𝜈22𝑚32 − 𝑚1,2𝐸𝛾 =2𝑚3

Two body decaydN/d(a.u.) distribution in ν3 → 𝜈2 + 𝛾
Sharp Edge
with 1.9Ksmearing

10𝒎𝟑 = 𝟓𝟎 𝐦𝐞𝐕Red Shift effect

10050𝜇𝑚(25meV)

500

[m]
4

ニュートリノ寿命測定感度1014年を目指したロケット実験


高度200~300km にて200秒の測定



主鏡直径15cm ，焦点距離1m の望遠鏡
光学系は全て1.8K程度に冷却焦点位置に=40-80m (16-31meV) をカバーする回折格子と 50(波長方向)x 8(空間方向) ピクセル配列の遠赤外光検出器(Nb/Al-STJ)
 各々のNb/Al-STJ ピクセルで波長ごと(Δ𝜆 = 0.8𝜇𝑚)の光子計数
 1ピクセル当たりの受光面積は100mx100m (視野角100rad x 100rad)

Nb/Al-STJarrayΔ𝜃
8 rows𝜆 = 40 − 80𝜇m
𝜆𝐸𝛾 = 16~31meV
50 columns
5Surface brightness I [MJy/sr]

C𝜈Bニュートリノ崩壊光探索ロケット実験における検出器要求CIB summary from Matsuura et al.(2011)

Zodiacal Emission

CMB

Telescope parameters• Main mirror– D=15cm, F=1m

• detector

Zodiacal LightISD

DGLCB decay

SL

Integrated flux from galaxy counts– 波長0.8m あたり
100m x 100m x 8 pixels
視野角 : 8 x 10-8 sr

𝜏 = 1 × 1014 yr𝑠wavelength [m]• ニュートリノ崩壊(𝒎𝟑 = 𝟓𝟎 𝐦𝐞𝐕, 𝝉𝝂 = 𝟏 × 𝟏𝟎𝟏𝟒 yrs): 𝑰𝝂 =25kJy/sr– 3.3 x 10-20 W / 8pixels @ =50m• 黄道光8MJy/srのもと200sec の測定でこれを検出
 検出器性能として1pixel当りNEP < 4 × 10−19 𝑊(量子効率100%として)𝐻𝑧 が必要6C𝜈Bニュートリノ崩壊光検出に要求される検出器NEP検出器視野角• 望遠鏡主鏡: D=15cm, F=1m
 波長0.8m (=c/50m-c/50.8m=94GHz)あたり100m x 100m x 8 pixels  視野角 : 8 x 10-8 sr

以下量子効率を100%として• ニュートリノ崩壊光 (𝑚3 = 50 meV, 𝜏𝜈 = 1014 yrs): 𝑰𝝂 =25kJy/sr @ =50m
𝑭𝑵𝑫 = 𝟐𝟓 𝒌𝑱𝒚 𝒔𝒓 × 𝟖 × 𝟏𝟎−𝟖 𝒔𝒓 × 𝝅 𝟏𝟓𝒄𝒎 𝟐 𝟐 × 𝟗𝟒𝑮𝑯𝒛 = 𝟑. 𝟑 × 𝟏𝟎−𝟐𝟎 𝑾 𝟖𝒑𝒊𝒙

• 黄道光: 𝑰𝝂 =8MJy/sr @ =50m
𝑭𝒁𝑬 = 𝟏. 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟏𝟕 𝑾 𝟖𝒑𝒊𝒙

• t 時間でFZE を積分した際の揺らぎ

エネルギー𝜖𝛾 のフォトン数揺らぎ起因：𝜖𝛾 𝐹𝑍𝐸 Δ𝑡 𝜖𝛾 =𝜖𝛾 𝐹𝑍𝐸 Δ𝑡• 測定時間t，検出器NEP要件を決める不等式
𝑁𝐸𝑃 × 2Δ𝑡 <𝜖𝛾 𝐹𝑍𝐸 Δ𝑡 < 𝐹ND Δ𝑡 t>40sec (1), t>200sec (2.2 per =0.8m)

 NEP < 1.5 × 10−19 𝑊

𝐻𝑧 for t=200sec with 8 pix

 NEP < 4.2 × 10−19 𝑊

𝐻𝑧 per 1pix

7産総研 CRAVITY 製 Nb/Al-STJ

M. Ukibe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 51, 010115 (2012)
M. Ohkubo et al., IEEE Trans. Appl. Super, 24, 2400208 (2014)

I

500pA/DIV

V100nA
10nA

0.2mV/DIVLeakage

T~0.3Kw/ B field

0.1nA

1nA

50m  50m Nb/Al-STJ
fabricated in CRAVITY at AIST 100pA• Ileak~0.2nA を達成•

更に小さな junction size のもの
でテスト中

Temperature(K)
0.3

0.4

0.5

0.60.7• リーク電流のショットノイズ由来のNEPは，リーク電流iL=50pA, 超伝導
ギャップエネルギー=0.6meV, トラッピングゲインG=10とすると(量子効率100%，読出し系のノイズを考えなければ)1.7Δ 2𝑖𝐿
NEP =~4 × 10−19 𝑊
G𝑒𝐻𝑧
8STJパルス光応答特性
T~300mK

V0R0=1M
VIS laser
through
optical fiber

100uV/div
4us/div

STJ

冷凍機

T.Okudaira，2015.1.16

可視光(465nm)レーザーパルス応答性(AIST製
Nb/Al-STJ 100um角)STJ 応答信号時定数: 立下り ~1s, 立上り~2s

VI

V0=V+R0I(もしくは，これより早い)
定電流モードの回路(右上)で測定

0.4mV VSTJ I-V curve w/light w/o light• Nb/Al-STJは，~1s という比較的早い応答速度 光子計数を行えば，実効的なNEPは劇的に改善可能– 但し読出し系の帯域は>1MHzを確保する必要あり

9

STJ キャパシタンス測定

STJ

Current (nA)0CSTJ

I=I(V)

40100mx100m

緑：実測 (f=2kHz)
黒：シミュレーション-40

CSTJ=0.9nF, 1.2nF,1.5nF, 1.8nF

STJ 等価回路

Voltage (mV)

-0.4

00.4

STJ は，junction size に比例したキャパシタンス• STJのI-V測定からSTJのキャパシタンスを測定• SIS接合面の面積に比例する成分： ~34fF/m2
 100m角のSTJで 0.4nF~0.6nF
 20m角のSTJでも 0.03nF~0.05nF
 低入力インピーダンスの電荷積分型アンプでの読出しが必要

10電荷積分アンプ読出しによる可視光(465nm)パルスに対するNb/Al-STJ 応答

10M

Laser pulse trigger

ChargeShaper
sensitive +amp.
pre-amp.

2V/DIV

産総研CRAVITY製100x100m2 Nb/Al-STJ

40μs/DIVCSTJ

I=I(V)

STJ
T~350m(3He sorption)

出力電荷からおよそ10光子検出であると評価された

Nb/Al-STJ の低入力インピーダンス電荷積分アンプ読出• STJ自体およびSTJ配線は比較的大きな静電容量(pF~nF)を持つ
 低入力インピーダンスの電荷積分型アンプでの読出しが必要• 室温に置かれた電荷積分型のアンプでの読出：ノイズ大• 一光子検出には，読み出し系のS/N改善が必須
STJの直近に置ける極低温電荷積分型アンプの開発

11先崎蓮修論発表より

FD-SOI-MOS
極低温でも動作可能なトランジスタ:Fully Depleted - Silicon On Insulator MOSFET SiO2 絶縁膜上にMOSFETを形成
 寄生容量が小さく、低消費電力

 4K以下でも動作

低温特性

3Kroom 電流値の増加
 閾値電圧の上昇

 性能の劣化はなく、特性変化を考慮すれば極低温でも十分使用できる
12

SOI増幅回路一体型STJ検出器(SOI-STJ)
SOI回路基板上にNb/Al-STJ検出器を直接形成した増幅回路一体型の検出器

SOI-STJの利点
STJ検出器からの配線の引き回しが不要
 良いS/N STJアレイ化が容易 低消費電力
13

History of Development of SOI-STJ
640 umDSTJviaS

700 um

STJ

Gcapacitor

OUT

FET

SOI-STJ1号回路図

SOI-STJ1• p-MOS,n-MOSのみのSOI• STJ/FETの極低温動作確認• STJとSOI電極との接続確認

増幅段

D
G

SOI-STJ2• STJとFETのDC offsetをキャパシタンスで分離

IN

C

SOI-STJ2号回路図

バッファ段

SOI-STJ3• バッファー段の追加

S

14

1mA

1mA/DIVdrain-source current

SOI上にSTJを形成後の特性
1A

2mV/DIV1nA

B~150Gauss
1pA-0.2

00.2 0.4 0.6

0.8

I-V curve of a STJ fabricatedgate-source voltage (V)at KEK on a FD-SOI wafer
nMOS-FET in FD-SOI wafer on which a STJis fabricated at KEK• Both nMOS and pMOS-FET in FD-SOI wafer on which a STJ isfabricated work fine at temperature down below 1K– 極低温では，スレッショルド電圧のシフト，サブスレッショルド領域のドレイン電流抑制，飽和領域でのドレイン電流の上昇など，特性が変動• Nb/Al-STJ fabricated at KEK on FD-SOI works fine
• We are also developing SOI-STJ where STJ is fabricated at CRAVITY15先崎蓮修論発表より

16

SOI-STJ4

先崎蓮修論発表より

17先崎蓮修論発表より

SOI-STJ418

SOI-STJ4

先崎蓮修論発表より

19

SOI-STJ420

SOI-STJ421

SOI-STJ5 Pre-amplifier development• 近赤外一光子検出に最適化した低入力インピーダンス電荷積分型アンプ
をVDEC* が提供するSPICE simulation で設計中
• 極低温での SOI MOSFET の振る舞いをシミュレーションに組み込むた
め KEK や JAXA と共同研究で SPICE用MOSFETパラメータを構築中– 様々なL(チャンネル長：L=0.4~5um)やW(チャンネル幅: W=1~10um)を持ったFETの3Kにおける特性の測定

CSTJ

I=I(V)

500M
1pF

STJ

V=0.4mV+Output

STJ に定バイアスを印加するのと同時にSTJに発生した電荷を積分

0s50s100s

室温でのFET パラメータを仮定したSPICE simulation
入力電荷:2fC1.3eV(波長1m)の一光子入射相当* VLSI Design and Education Center(VDEC), the U. Tokyo in collaboration withSynopsys, Inc., Cadence Design Systems, Inc., and Mentor Graphics, Inc.

22

まとめ• 遠赤外(50m)の一光子検出が可能な検出器を STJ + SOI の技術を用いて開発中– 光子計数により，実効的にNEP で≤ 10−20 𝑊

𝐻𝑧 を目指す• Nb/Al-STJ は，産総研CRAVITY で世界最高水準の低リーク電流のものが得られている(<200pA @ 50m角)– 20μm角，10m角のものもテスト中– 来週に福井大の遠赤外領域開発研究センターにて， 波長50mレーザーのNb/Al-STJへの照射実験を予定• SOIに技術を用いた極低温アンプによる読出し回路を開発中– SOI アンプ一体型STJの可能性– SOI-STJ4のアンプ単体の極低温テスト結果は，室温シミュレーションと同等の性能を示した．STJの実際の信号読み出しテスト，ノイズ評価は，これから– 光子計数の利点を最大限に生かす低インプットインピーダンス高速アンプ(帯域>1MHz)設計中• 中~遠赤外域の光子計数(現状大面積化は難しい)，極低温SOI回路のアイデア，他応用分野があれば，ぜひご教授ください．
23

Backup24

Neutrino• Neutrino has 3 mass generations (1, 2, 3)• Neutrino flavor states (e, , ) are not mass eigenstates𝜈𝑒𝜈1𝑈𝑒1 𝑈𝑒2 𝑈𝑒3
𝜈𝜇 = 𝑈𝜇1 𝑈𝜇2 𝑈𝜇3 𝜈2𝜈𝜏𝜈3𝑈𝜏1 𝑈𝜏2 𝑈𝜏3 Neutrino flavor oscillates during the flight, and squared mass
22differences (Δ𝑚12, Δ𝑚23) have been measured, but theirabsolute masses are not measured yet!
 Heavier neutrinos (2, 3) are not stableγe, 𝜇, 𝜏─ Neutrino can decay through the loop diagrams– 𝜈3 → 𝜈1,2 + 𝛾– Neutrino mass can be determined from the decay

𝜈1,2𝑊

𝜈3

 However, neutrino lifetime is expected to be very long (muchlonger than the age of universe) We adopt Cosmic neutrino background (CB) as the neutrino
source for neutrino decay search25Cosmic neutrino background (C𝜈B)
102𝑛𝛾 = 411/cm3
𝑇𝛾 = 2.73 K

CB (=neutrino decoupling)~1s after
the big bang
14 3
𝑇𝜈 =𝑇𝛾 = 1.95K
11𝑝𝜈 = 0.5meV/c

Density (cm-3)

CMB

The universe isfilled with neutrinos.
However, they
have not been
detected yet!

10−73 𝑇𝜈𝑛𝜈 + 𝑛 𝜈 =4 𝑇𝛾

3𝑛𝛾 = 110 cm326

Motivation of -decay search in CB• Search for 𝜈3 → 𝜈1,2 + 𝛾 in cosmic neutrino background (C𝜈B)– Search for anomalous magnetic moment of neutrino– Direct detection of C𝜈B2– Determination of neutrino mass: 𝑚3 = 𝑚32 − 𝑚1,22𝐸𝛾• Aiming at a sensitivity to 𝜈 lifetime for 𝜏 𝜈3 = Ο 1017 yr𝑠– Standard Model expectation: 𝜏 = Ο(1043 yr𝑠)
– Experimental lower limit: 𝜏 > Ο(1012 yr𝑠)
– L-R symmetric model (for Dirac neutrino) predicts down to𝜏 = Ο(1017 yr𝑠) for 𝑊𝐿 -𝑊𝑅 mixing angle 𝜁 < 0.02
Magnetic moment
term(need L-R coupling)𝜈𝑗𝐿 𝑖𝜎𝜇𝜈 𝑞 𝜈 𝜈𝑖𝑅γ

𝜈𝑗𝐿𝜈𝑖𝑅

SM: SU(2)Lｘ U(1)Y𝜈1,2𝐿γ
𝑊𝐿𝑒𝐿 , 𝜇𝐿 , 𝜏𝐿𝜈3𝐿
𝜈3𝑅𝑚𝜈3

𝚪~ 𝟏𝟎𝟒𝟑 𝒚𝒓−𝟏

Suppressed by 𝑚𝜈 and GIM

LRS: SU(2)LｘSU(2)RｘU(1)B-Lγ𝑊1

𝜈1,2𝐿𝜏𝐿𝑚𝜏𝜏𝑅≃ 𝑊𝐿 − 𝜁𝑊𝑅𝚪~ 𝟏𝟎𝟏𝟕 𝒚𝒓

𝜈3𝑅−𝟏

PRL 38,(1977)1252, PRD 17(1978)1395

𝑊1cos𝜁
=𝑊2
sin𝜁

−sin𝜁
cos𝜁

𝑊𝐿
𝑊𝑅

1026
enhancement toSM

Only suppressed by L-R mixing (𝜁)27Photon Energy (Wavelength) in Neutrino Decay•𝜈22𝑚3

Two body decay

m3=50meVE =24.8meV(𝜆 = 50𝜇𝑚)

m2=8.7meV
m1=1meVE =24meV(𝜆 = 51𝜇𝑚)

E =4.4meV(282𝜇𝑚)

2– Δ𝑚12~ 7.65 × 10−5 𝑒𝑉 2•

From Planck+WP+highL+BAO– ∑𝑚𝑖 < 0.23 eV

 50meV<𝑚3 <87meV𝑬rest=14~24meV (𝝀𝜸 =51~89m)𝜸

 distribution in ν3 → 𝜈2 + 𝛾dN/d(a.u.)𝜈3𝐸𝛾 =

2
𝑚32 − 𝑚1,22Δ𝑚23= |𝑚32 − 𝑚22 | ~ 2.4 × 10−3 𝑒𝑉 2–in the 3 rest frame𝛾

From neutrino oscillation

Sharp Edge
with 1.9Ksmearing10

𝒎𝟑 = 𝟓𝟎 𝐦𝐞𝐕Red Shift effect

10050𝜇𝑚(25meV)

500

[m]
28

Surface brightness I [MJy/sr]C𝜈B decay signal and Backgrounds

CIB summary from Matsuura et al.(2011)

ZE

CMB
AKARI
COBEat λ＝50μm
Zodiacal Emission(ZE)𝐼𝜈 ~ 8 MJy/sr

CIB

ZL

𝜆𝐼𝜆 ~ 0.1-0.5 MJy/sr
ISD
DGLCB decayCB decay

Expected 𝑬𝜸 spectrum

SL

𝑚3 = 50meV

wavelength [m]E [meV]

λ＝50 μmE=25 meV𝜏 = 3 × 1012 yr𝑠
𝐼𝜈 ~ 0.8MJy/sr

Excluded by S.H.Kim et. al 2012

𝜏 = 1 × 1014 yr𝑠
𝐼𝜈 ~ 25kJy/sr29

Proposed rocket experimentwith a diffraction grating and Nb/Al-STJ array combination200-sec measurement at altitude of 200~300km


Telescope with diameter of 15cm and focal length of 1m
All optics (mirrors, filters, shutters and grating) will be cooled at ~1.8K

At the focal point, diffraction grating covering =40-80m (16-31meV) andarray of Nb/Al-STJ pixels of 50(in wavelength distribution) x 8(in spatialdistribution) are placed
 Each Nb/Al-STJ pixel is used as a single-photon counting detector for FIR

photon in =40−80m (Δ𝜆 = 0.8𝜇𝑚)
 Sensitive area of 100mx100m for each pixel (100rad x 100rad in viewingangle)
Nb/Al-STJarrayΔ𝜃
8 rows𝜆 = 40 − 80𝜇m
𝜆𝐸𝛾 = 16~31meV
50 columns

30Surface brightness I [MJy/sr]

Expected precision in the spectrum measurement
Zodiacal Emission

CMB

Telescope parameters• Main mirror– D=15cm, F=1m

• detector

Zodiacal Light

ISD

DGL

CB decay

SL

Integrated flux from galaxy counts

wavelength [m]

• Zodiacal emission ⇒ 343Hz / pixel– sensitive area
100mx100m / pixel– 50 x 8 array
Δ𝜆 =80𝜇𝑚−40𝜇𝑚= 0.8𝜇𝑚50

𝜏 = 1 × 1014 yr𝑠– 200sec measurement: 0.55M events / 8 pixels (at 𝜆 = 50𝜇𝑚)– 0.13% accuracy measurement for each wavelength: 𝜹 𝑰𝝂 =11kJy/sr• Neutrino decay (𝑚3 = 50 meV, 𝜏𝜈 = 1 × 1014 yrs): 𝑰𝝂 =25kJy/sr– 2.3σ away from statistical fluctuation in ZE measurement

 decay with 𝝉𝝂 = 𝟏𝟎𝟏𝟒 yrs is possible to detect, or set lower limit!

31

Sensitivity to neutrino decay

Parameters in the rocket experiment simulation•••••

telescope dia.: 15cm50-column (: 40m – 80 m)  8-row arrayViewing angle per single pixel: 100rad  100rad
Measurement time: 200 sec.
Photon detection efficiency: 100%••Can set lower limit on 3 lifetime at 4-6  1014 yrs if no neutrino decay observed
If 3 lifetime were 2  1014 yrs, the signal significance is at 5 level
32

Energy/Wavelength/Frequency

𝐸𝛾 = 25 meV
𝜈 = 6 THz
𝜆 = 50𝜇𝑚
33

STJ back-tunneling effect• Quasi-particles near the barrier can mediate Cooper pairs, resulting intrue signal gain– Bi-layer fabricated with superconductors of different gaps Nb>Al to enhancequasi-particle density near the barrier– Nb/Al-STJ Nb(200nm)/Al(10nm)/AlOx/Al(10nm)/Nb(100nm)• Gain: 2～200PhotonNb

AlAlNb34

STJ energy resolution
Statistical fluctuation in number of quasi-particles  energy resolution
Smaller superconducting gap energy Δ yields better energy resolution

𝜎𝐸 =Δ: Superconducting gap energy
F: fano factor
E: Photon energy

1.7Δ 𝐹𝐸
SiNb

Al

Hf

9.23

1.20

0.165

Δ[meV] 1100 1.550

0.172

0.020

Tc[K]Nb

Well-established as Nb/Al-STJ(back-tunneling gain from Al-layers)

Nq.p.=25meV/1.7Δ=9.5

Poor energy resolution, but asingle-photon detection ispossible

Tc :SC critical temperature
Need ~1/10Tc for practicaloperationHf

Hf-STJ is not established as a practical photon
detector yet

Nq.p.=25meV/1.7Δ=735

2% energy resolution is achievable if Fano factor <0.3for a single-photon
35