2024/07/02
宇宙史研究センター構成員会議 成果報告会

100-GHz帯連続波観測に向けたAl-NbTiNハイブリッド
MKIDの設計における課題
筑波⼤学 宇宙観測研究室
D1 李 豪純

100-GHz帯連続波観測
銀河の形成・進化のメカニズムを解明するためには宇宙初期の遠⽅銀河の観測が重要
多くの銀河を⾒つけるためには広視野な単⼀鏡と⾼感度な撮像装置が必要
野辺⼭45m電波望遠鏡搭載⽤100-GHz帯連続波カメラ(MKIDカメラ)を開発

遠⽅銀河や⼤質量星形成領域の理解へと繋がる

ダスト放射
⾃由⾃由放射R.J.Ivison+2000

Credit: https://www.ioa.s.u-tokyo.ac.jp/~kkohno/

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1MKIDカメラ
遠⽅銀河の探査や⼤質量星形成領域を観測するために超伝導検出器MKIDを⽤いた多素⼦100-GHzカメラを開発している
Siレンズ[Nitta+2020]

野辺⼭45m鏡

MKID

40K

4K

1K
0.1KNbTiN

credit: NAOJ/NRO

受信機(MKIDカメラ)

Al
NbTiN

Al

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天体の信号

109ピクセルアレイ（焦点⾯）• 100 mK以下で動作• 109個のMKIDと反射防⽌膜付きSiレンズで構成

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S.Honda,M.thesis,
URSI GASS,
2023
Miyazawa
2021

2

MKID(⼒学インダクタンス検出器)①

MKIDの特徴

photon𝒉𝝂 > 𝟐𝚫②

§ 超伝導体で構成された共振器③§ 共振器の⻑さに応じた共振周波数で応答§ ギャップエネルギー(2Δ)以上の光⼦が⼊射すると共振周波数が変化§ 1本の読み出し線による複数読み出しが可能 → 多素⼦化が容易𝑓!,#2024/07/02

宇宙史研究センター構成員会議 成果報告会𝑓!,$Frequency [GHz]𝑓!,%3

試験観測の成果と現在の課題
2022年試験観測

⼤質量星形成領域W49Aの観測

⽯崎悠治 卒業論⽂(2023)

クエーサー3C 273の観測

𝜃&'()~16.2 ± 1.6′′

課題
MKID由来の1/f 過剰ノイズ(TLSノイズ)が乗っている
1/fノイズを抑えバックグラウンド限界感度を持つ新たなMKIDの開発が必要
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4MKIDのノイズ
G-R

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5

MKIDのノイズ
TLSノイズ
誘電体と超伝導体がアモルファス構造を持ち2つのエネルギー準位を持つことに起因するノイズ(MKID由来の1/fノイズ)

LNAノイズ
アンプの熱雑⾳と読み出しパワーで決まる

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G-R

G-Rノイズ
熱的、光学的負荷による準粒⼦数のゆらぎに起因するノイズ(G-R + photonノイズ→ BLIPノイズ)

6

TLSノイズの低減⽅法
MKIDにおける電場・磁場強度
位置⽅法①︓ハイブリッド型MKID

磁場電場強度⽅法②︓広いCPW構造による電場密度の低減

狭窒化物(NbTiN)広
本⽇は①の⽅法の結果を最後に報告
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7モデル計算
物性値𝑇! , 𝜌"

環境変数
𝑇, 𝑃#$%&

複素伝導率d𝜎# d𝜎$
𝜎#, 𝜎$,,d𝑛12 d𝑛12

磁場侵⼊⻑𝜆34!/5 ∝Q値
1/𝑄! = 1/𝑄7 + 1/𝑄42 𝜎$𝑄4 =𝛼- 𝛽; 𝜎#応答性

𝜌6𝑇7𝑑𝑥𝛼. 𝛽; 𝑄! d𝜎#,$≈−𝑑𝑛12𝜎$𝑉 d𝑛12

精度⾼い設計のためにMKIDの性能を定量的に共振周波数評価するモデル計算(ノイズシミュレータ)を作成

feedline

𝑓8 =𝑐 1 − 𝛼-,/0/4𝑙
𝜖9::

CPW線路
準粒⼦寿命
𝜏12 ∝

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1𝛥8∝ exp
𝑁12𝑇

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インダクタンス
𝐿*+* = 𝐿, + 𝐿𝐿𝛼. ∝𝐿/0/8

モデル計算の流れ
物性値𝑇! , 𝜌"環境変数
𝑇, 𝑃#$%&

複素伝導率

d𝜎# d𝜎$𝜎#, 𝜎$,,d𝑛12 d𝑛12

磁場侵⼊⻑𝜆34!/5 ∝1/𝑄! = 1/𝑄7 + 1/𝑄42 𝜎$
𝑄4 =𝛼- 𝛽; 𝜎#応答性

𝜌6𝑇7𝑑𝑥𝛼. 𝛽; 𝑄! d𝜎#,$≈−
𝑑𝑛12
𝜎$𝑉 d𝑛12共振周波数

feedline

𝑓8 =𝑐 1 − 𝛼-,/0/4𝑙𝜖9::

CPW線路
準粒⼦寿命
𝜏12 ∝

2024/07/02

Q値

1𝛥8∝ exp
𝑁12𝑇

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インダクタンス
𝐿*+* = 𝐿, + 𝐿𝐿𝛼. ∝𝐿/0/9

モデル計算の流れ
TLSノイズ

C8.E C#.F C#.E
𝑆A>B ∝ 𝑓 C8.E𝑃!9@3
𝑊/ 𝑇§ ジオメトリ§ 物性値§ 環境変数
磁場侵⼊⻑

準粒⼦寿命
G-R(BLIP)ノイズ

複素伝導率

インダクタンス

共振周波数

𝑆<= ∝11 + 2𝜋𝑓𝜏12

応答性$LNAノイズ𝑇6
𝑄7 $𝑆>6? ∝1+𝑃!9@3
𝑄4

Q値
2024/07/02$𝑑𝑥𝑑𝑛12

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10モデル計算による従来のKIDの再現
モデルの精度を確かめるために今まで観測で使⽤したMKIDのモデル計算を実施

従来のMKID(2021年モデル)
couplerは広いCPW構造
NbTiN
Al=> 2021年モデルの再現を⾏った(結果︓次スライド)
2024/07/02

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11モデル計算による従来のKIDの再現
77 K (𝑃#%& ∼ 17.8 pW) の光学的負荷のある環境を仮定しモデル計算
共振周波数・Q値・応答性
𝒇𝐫 [𝐆𝐇𝐳]𝑸𝐫 (×𝟏𝟎𝟒 )𝑸𝐢 (×𝟏𝟎𝟒 )𝒅𝒇𝟎(×𝟏𝟎𝟏𝟓 ) [𝐇𝐳/𝐖]
𝒅𝑷𝐚𝐛𝐬

測定値

4.995

1.84

2.775.7

モデル計算

5.737

1.28

1.67

21.4

Noise PSD [Hz2/Hz]

PSD計算結果

Frequency [Hz]

測定値に⽐べLNAノイズ、TLSノイズのレベルが⾼くなった
2024/07/02

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12モデル計算による従来のKIDの再現
パラメータとしていくつかの実測値を使⽤し再計算を⾏なった。
実測値を使⽤した
パラメータ

𝑓# =c 1 − 𝛼',)*)
𝜖$-4𝑙

𝑓# ∼ 5.042 GHz

Noise PSD [Hz2/Hz]

𝛼',)*) ∼ 0.42𝑄#,)*) ∼ 1.84×10+𝑄,,)*) ∼ 2.77×10+

共振周波数

Frequency [Hz]ノイズレベルは測定値と概ね⼀致した。
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13ハイブリッド型での計算
前回同様に77 K (𝑃#%& ∼ 17.8 pW) の光学的負荷のある環境を仮定しモデル計算

従来のMKID(中⼼線︓Alのみ)

𝒅𝒇𝟎[𝐇𝐳/𝐖]
𝒅𝑷𝐚𝐛𝐬

𝟐𝟒. 𝟏×𝟏𝟎𝟏𝟓

Noise PSD [Hz2/Hz]

𝟏𝟖. 𝟖×𝟏𝟎𝟏𝟓

Noise PSD [Hz2/Hz]

𝒅𝒇𝟎[𝐇𝐳/𝐖]
𝒅𝑷𝐚𝐛𝐬

ハイブリッド型(中⼼線︓Al+NbTiN)

Frequency [Hz]Frequency [Hz]MKIDのハイブリッド化による応答性向上の結果BLIPノイズのレベルが上がり相対的にTLSノイズの影響を受けにくくなったことが確認できた
さらにTLSノイズを抑えるためにジオメトリの最適化を⾏う
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14モデル計算の課題
実測値との差を埋めるためにいくつかのパラメータを補正し計算補正したパラメータ(実測値を使⽤)𝛼',)*) ∼ 0.42
𝑄#,)*) ∼ 1.84×10+𝑄,,)*) ∼ 2.77×10+共振周波数
𝑓# =c 1 − 𝛼',)*)
𝜖$-4𝑙

𝑓# ∼ 5.042 GHz

Q値などを実測値を使っている
ためモデル計算が正確であるとは⾔えない
Y.Murayama Ph.D thesis(2022)
ノイズのレベルは測定値と良い⼀致を⽰した
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15テストチップ
モデル計算と実測値の間のズレを確認するためのテストチップを設計
10 mm

2018年のKIDをもとに設計(Al単層KID)§ 10 mm × 10 mm の正⽅形チップ§ アンテナ無しのblind KID§ couplerも他と同じ構造
10 mm

2024/07/02§ 9個のKID§ f0 = 4200-4240 MHz§ f0 = 4400-4430 MHz

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16テストチップ
モデル計算と実測値の間のズレを確認するためのテストチップを設計
10 mm

2018年のKIDをもとに設計(Al単層KID)§ 10 mm × 10 mm の正⽅形チップ§ アンテナ無しのblind KID§ couplerも他と同じ構造
10 mm§ 9個のKID§ f0 = 4200-4240 MHz§ f0 = 4400-4430 MHz

このチップの振る舞いから実測値とモデル間のずれの原因を探す

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まとめ
q 100-GHz帯MKIDカメラの次のステップとして、バックグラウンド限界感度に達したMKIDの開発を進めている。
q MKIDの設計のためにノイズシミュレータを作成。
q 2022年に野辺⼭45m鏡に搭載したモデル(中⼼線:Al、GND⾯:NbTiN)の再現を実施。
§ シミュレーションと実測値の間でズレが⽣じた。
§ いくつかの実測値を使いノイズPSDを再現。
§ 実測値を⽤いた再現であるため、シミュレーションを補正するファクターを考える必要がある。
q Al単層のテストチップを⽤いて測定を⾏い、シミュレーション結果と実測値とのズレを補正するファクターを探す。

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