素粒子実験室 武政

▪ 超伝導検出器を乗せたロケット/衛星にて宇宙赤外線の宇宙赤外線の遠赤外領域(Eγ ~数10meV)のエネルギー分布を測定する。

▪ そこに含まれる宇宙背景ニュートリノの崩壊事象を見つけ出す。
▪ 宇宙背景ニュートリノの存在の検証▪ ニュートリノ質量の決定

COBAND実験webページ:
http://hep.px.tsukuba.ac.jp/coband/index.html

2ニュートリノ質量の決定▪ ニュートリノ振動が観測されたことで質量自乗差は測定されたが、質量そのものは測定されていない。
▪ m322 = (2.44 ± 0.06 )×10-3 eV2, m212 = (7.53  0.18)×10-5 eV2▪ ニュートリノ崩壊を観測することでニュートリノ振動と独立な物理量が得られる。
▪ 崩壊で放出される光子のエネルギー： 𝐸 =𝑚322𝑚3= 10~25meV (ν3静止系)▪ これにより、ニュートリノ質量を決定できる。
 ニュートリノが重い質量固有状態から軽い質量固有状態と光子に崩壊する現象 3 → 2 +  τ > 1043 years ( 標準模型, 3 質量を50 meV/c2と仮定した場合)

e, τ > 1.5×1017 years (LR対称模型)

 寿命が非常に長く観測には大量のニュートリノが必要となるため、宇宙背景ニュートリノを観測対象とする 。
( ~ 110 cm-3 で宇宙中に存在すると予言されている。)

ニュートリノ崩壊ファインマン図3

» ニュートリノ崩壊の信号は、Eγで鋭く立ち上がり長波長側にテールを持った形を持つ。
» 黄極方向の暗点の遠赤外領域(λ= 40μm～80μm)のエネルギースペクトルを連続的に測定することで、ニュートリノ崩壊スペクトルの立ち上がりが観測できる。
» この立ち上がりを観測するにはE ~ 25meV(λ~50μm)の光子のエネルギーを2%以上の分解能で測定できる検出器が必要。
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COBAND実験では2つの実験を計画している。
▪ ロケット実験▪ 上空200kmで200secのデータ収集を行う。
▪ 望遠鏡: 直径:15cm, 視野: 0.006°×0.05°▪ ニュートリノ(ν3)寿命の下限値を現在の値より2桁ほど改善できる( ~1014years).
▪ 使用する検出器： 回折格子(𝝀=𝟒𝟎−𝟖𝟎𝝁𝒎)で分光し、Nb/Al-STJアレイでカウントする。

Nb/Al-STJarrayΔ𝜃Δ𝜆𝜆 = 40 − 80𝜇m
𝐸𝛾 = 16~31meVCOBAND衛星実験
人工衛星にて100日間のデータ収集
(3) ~ 1017年の感度望遠鏡: 直径20cm, 視野: 0.1°
検出器: Hf-STJ (Eγ ~25meVを分解能2%以下で連続的に測定できる必要がある)

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▪ 構造
▪ ジョセフソン素子の一種、超伝導体/ 絶縁膜/ 超伝導体
▪ サイズ: 数10～数100m角, 厚み ~500 nm

Overhead view of STJ detector▪ 絶縁膜は厚み1nm程度▪ 動作原理▪ 入射粒子からエネルギー付与される▪ クーパー対破壊により準粒子が生成、準粒子⇔フォノン相互転換▪ 最終的に入射粒子のエネルギーに対応した数の準粒子が励起される▪ 準粒子がトンネル効果で絶縁膜を通り抜け、信号となる

ジョセフソン電流(磁場で抑制する)

準粒子
入射粒子
エネルギー準位w/ light
w/o light

クーパー対
: 超伝導エネルギーバンドギャップ

Leakage current
6超伝導体 絶縁膜 超伝導体

STJのIV特性

Hf-STJ▪ 超伝導エネルギーバンドギャップの非常に小さいハフニウムを超伝導電極に用いることでエネルギー分解能に優れる光検出器を実現する。
▪ STJのエネルギー分解能: 𝜎𝐸 =1.7Δ 𝐹ε▪ 25meVの光子に対して2%程度のエネルギー分解能▪ STJは熱ノイズ抑制のため、Tcの1/10以下に冷却して使用する。

→ Δが小さいとエネルギー分解能は良くなるが、Tcは低くなり取り扱いにくくなる。2Δ = 3.5kBTc (BCS theory)
Expected energy resolution of Hf-STJ

宇宙背景ニュートリノ探索(COBAND)実験で要求されるエネルギー分解能2%@25meVを達成可能な素材の内、Tcの大きいHfを選択した。

ニュートリノ崩壊光子の予測エネルギー25meV

25meV

Energy[eV]1

Δ: エネルギーバンドギャップ
F: ファノ因子
E: 入射光子のエネルギー
Tc: 超伝導転移温度

MaterialNbPb
Ta
Sn
Al
Ti
HfIr
BeW
Rh

Tc[K]
9.29
7.2
4.48
3.7
1.18
0.39
0.165
0.099
0.023
0.016
0.002

Δ[meV]
1.55
1.365
0.7
0.575
0.172
0.058
0.021
0.014
0.00340.00250.0003 7

作成:▪ KEK所有のクリーンルームにて作成▪ マグネトロンスパッタ装置を用いた薄膜形成▪ フォトリソグラフィによるパターニング▪ ICP-RIEを用いたドライエッチング▪ 熱酸化による絶縁膜形成

評価:▪ 希釈冷凍機を用いて~120mKに冷却▪ 4端子法を用いてIV特性、光応答を測定
Differential amp.
Attenuator

FunctionGenerator

8Refrigerator▪ Pure Hf素子：Hfのみで製作したサンプル(100μm角)▪ Hf/HfOx/Hf = 250nm/ 1.5nm(熱酸化30Torr,1H)/300nm▪ トンネルバリア(HfOx)が1.5nm程度できているが、漏れ電流が大きい(~30μA@20V)▪ トンネルバリアに欠損があると考えられるため、HfOxの品質改善が必要

TEM (30Torr,1H酸化)30Torr,1H酸化100μm×100μm
T= 50～60mK
磁場印加なし

左図の拡大

Hf

HfOx

HfOx

HfSi基板

Hf~1.5nm

9IV特性9薄いAl層を追加したHf-STJ▪ 薄いAl層(~10nm)を絶縁膜上に追加。
▪ 構造: Hf/Al/HfOx/Hf = 250nm/10nm/1.5nm/300nm▪ ジョセフソン電流が存在し、磁場で抑制されることを確認▪ 漏れ電流: 5μA@20μV (200μm×200μm素子, 128mK)▪ 従来の素子(100μm角)と比較して、1/4に減少。サイズ差を考慮に入れれば1/16に改善。
▪ 改善はしたが、いまだに目標値は達成していない。( 120mKでの目標漏れ電流: 30pA)
200μm×200μm
Hf-STJ

原点付近
拡大

原点付近
拡大

2μA/div

2μA/div

10μV/div

10μV/div

T = 128mK
B = 0 Gauss

10μA/div
20μV/div

磁場印加(5 Gauss)

T = 128mK
B = 5 Gauss

10μA/div
20μV/div

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薄いAl層を追加したHf-STJ
定電流で動作させた
測定時の電流値20μA▪ パルス光応答▪ 波長465nm可視光レーザー▪ 100ms毎に5μs間5MHz(25回)の発振Differential amp.
Attenuator

Power supplyRefrigerator
Light fiber

Laser• STJ光検出器として動作するHf-STJを作成することに成功した。

11

従来のサンプルとの性能比較• Al層を追加することで漏れ電流が1/4に改善。

• 素子の小型化(200μm角→ 10μm角)を行うことで1/400まで抑制が可能。

Hf/Al-STJ(200μm角)• 目標性能を達成するためには小型化以外に100倍程度の改善が必要。

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Al層を追加したSTJの開発成果と課題＜成果＞▪ 漏れ電流が従来と比較して1/4 (サイズ差を考慮すれば1/16)に改善▪ 光応答が確認でき, STJとして動作していることが確認できた。

＜課題＞▪ 漏れ電流が要求値を満たしていない。
▪ 小型化(200μm角→10μm角)することで400倍程の改善が見込めるが、要求値にはさらに100倍の改善が必要。

▪ |V|=2Δでの立ち上がりが鈍っている。→ 超伝導体のΔに不均一性が存在する▪ Al層のΔや近接効果の影響と考えられる。

|V|=2Δの立ち上がりが▪ HfのみでSTJを作成してΔを均一にする。

緩やか▪ 表面の凹凸が小さいHf薄膜を用いてSTJを作成する。
▪ 絶縁膜の厚み(1.5nm)より表面の凹凸が小さくできれば絶縁膜厚さの均一性が増し、漏れ電流が抑制できる。

10μA/div
20μV/div
13

表面の滑らかなHf薄膜を用いたSTJ▪ 成膜条件を変更し、表面の滑らかなHf薄膜の作成を試行した。
▪ 成膜条件1: Ar 2.0Pa, 70W▪ 平均面粗さ Ra = 1.9nm▪ 自乗平均面粗さ RMS = 2.5 nm

30nm▪ 成膜条件2: Ar 0.5Pa, 50W▪ 平均面粗さ Ra = 0.76nm▪ 自乗平均面粗さ RMS = 0.96 nm

6nm▪ これらのHf薄膜を用いてSTJの作成・評価を行った。

14成膜条件1 (RMS=2.5nm)の薄膜を用いたHf-STJ(200um角)▪ ジョセフソン電流(~2μA)を確認▪ Δ~25μeV。Hf/Al-STJと違い2Δでの立ち上がりが垂直に近い▪ → 超伝導体全体がバルクHfと同等のΔを持つ▪ 漏れ電流: 7μA@20μV▪ → Al層を追加したものと同等の数値をHfのみで達成

IV特性

IV特性(原点付近拡大、磁場無し)

IV特性(原点付近拡大、磁場6Gauss)15成膜条件1 (RMS=2.5nm)の薄膜を用いたHf-STJ
λ=465nmレーザー光に反応してIV特性が変化することを確認した。
▪ 20kHzで照射: 電流2μA増加▪ 50kHzで照射: 電流7μA増加→ 光応答を確認。

16

成膜条件2(RMS=0.96nm)の薄膜を用いたHf-STJ(200um角)▪ ジョセフソン電流: ~250μAを確認。

▪ Δ~20μeV, 漏れ電流が大きく均一性の確認はできていない。
▪ 漏れ電流: 170μA@20μV▪ IV特性の形状が良くできたNb/Al-STJの冷却不十分なときの形状に似ている。
▪ 現在はTcに近い温度で測定しており熱ノイズが大きいので、十分に冷却(Tc/10以下)することで良い特性を示す可能性がある。

T~150mK
B=0Gauss
Δ~20μV

T~150mK
B~10Gauss
Δ~20μV
磁場印加

100μA/div

100μA/div

20μV/div

20μV/div

Nb/Al-STJ@400mK
Nb/Al-STJのIV特性@3K (磁場あり)(磁場なし)

熱励起ノイズが減り 17
漏れ電流が非常に小さい▪ 小型化による漏れ電流の抑制を図った。

HfNb▪ 10um角の素子を作成・評価した。

Si▪ 漏れ電流~0.3uA@20uV▪ 同条件で作成した200um角の素子と比較して、1/560に減少。(面積は1/400)▪ Δ=50~100ueV

T=156mK

T=156mK
磁場あり

0.5uV
50uV

0.5uV
50uV
18

RMS=0.96nm(200um角)

Hf/Al-STJ(200μm角)

RMS=2.56nm(200um角)RMS=0.96nm(10um角)

19▪ 小型化で漏れ電流改善が見込めるが、10um角の素子はターゲットのλ~50um(E~25meV)に対して小さく受光効率が落ちてしまう。

▪ 対策としてアンテナ結合型STJを作成。
▪ 品質の良いNb/Al-STJにアンテナをつけたものを試作した。
▪ 福井大学所有の遠赤外分子レーザー(λ=57.2nm)での評価を予定している。
▪ アンテナデザイン(ダイポール,ループ),アンテナ長さ/太さ,アンテナ上SiO2有無の違いによる受光効率を評価する予定。

3/2波長ダイポール(86umx2um)
T~860mK

3/2波長ダイポール(86umx2um)
T~394mK
Ileak~4nA@200uV

20nA

アンテナ無しT~382mK
Ileak~20pA@200uV

100pA

100uA
200uV
1mV

200uV
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◦ 宇宙背景ニュートリノ崩壊探索(COBAND)実験にむけて、Hf-STJの開発研究を行っている。
◦ STJとして動作するHf-STJ素子の作成に成功し、可視光レーザーパルス光への応答を確認した。
◦ Hf薄膜の表面粗さの改善と素子の小型化により、漏れ電流の減少が見られた。
◦ 表面粗さの改善:◦ RMS=2.5nmの素子は、従来と比較して漏れ電流が1/3に減少◦ RMS=0.96nmの素子は、漏れ電流は増加したがジョセフソン電流が大きい。
◦ 素子の小型化: 200um角→10um角に小型化することで漏れ電流が1/560に減少◦ 未だにCOBAND実験の要求値達成に至っていないため改善が必要である。
◦ 絶縁膜の作成条件や手法の変更にて更なる改善を目指す。
◦ 素子を100mK以下に冷却して熱起因の漏れ電流を抑制した測定を行う。
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22

従来の成膜条件
Ar 2.0Pa, 80W

新しい成膜条件Ar 0.5Pa, 50W

改善
Nb
Hf
HfOx/Al
Hf

断面TEM画像

Hf
HfOx
Hf

断面TEM画像23

T=156mK

T=150mK
Δ~130uV

0.5uV

0.5uV

50uV

200uV

T=156mK
磁場あり

0.5uV
Nb/Al-STJのIV特性@3K(磁場なし)

50uV
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