Development of fundamental technologies for practical superconducting terahertz oscillation devices

实用超导太赫兹振荡器件基础技术开发

基本信息

批准号：
21K04189
负责人：
中島健介
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Yamagata University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、Ｂｉ２２１２高温超伝導体の超伝導臨界温度以下で動作する固有ジョセフソン接合（Intrinsic Josephson Junction:ＩＪＪ）テラヘルツ波発振デバイスを実用化する上で接合を最適な動作温度に制御する必要性から発振動作時のＩＪＪの実温度とＩＪＪから熱浴への放熱性をＩＪＪの電圧－電流特性から評価する手法を提案した。これまでの研究から、Ｂｉ２２１２‐ＩＪＪから持続したテラヘルツ波を発振させるためには、接合電圧を所望テラヘルツ波の周波数に対応する値に安定に保つ必要がある一方で、接合の電圧－電流特性を人為的に制御することの難しいＢｉ２２１２‐ＩＪＪでは、発振周波数に適した電圧－電流特性を得るための最適な接合温度が存在することが明らかになってきた。また、バルクメサ型ＩＪＪと本研究で提案している薄膜段差型／薄膜メサ型ＩＪＪの接合温度と放熱特性とを比較検討した結果、薄膜型の両者には大きな放熱性の違いは見られず、令和４年度に着手したＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ発振デバイスの一次元熱伝導はモデルを用いた熱伝導解析によっても，放熱性を妨げている要因がデバイスの基材となる材料（基板）とＢｉ－２２１２の間の接着層にあることを明らかにした。このことはメサ型であっても接着層の改善やそもそも接着層の無い薄膜メサ型によるＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ波発振デバイスが実現可能であることを示唆している。さらに熱解析によって、接着層を持たない薄膜型デバイスの優位性だけでなく、Ｂｉ－２２１２単結晶片を基材に接着する必要のあるバルクメサ型ＩＪＪであっても接着層の熱伝導性を改善することで液体窒素温度でのテラヘルツ発振動作の可能性を示した。

在本研究中，我们将讨论将结控制在最佳工作温度的必要性，以便将在 Bi2212 高温超导体的超导临界温度下工作的本征约瑟夫森结 (IJJ) 太赫兹波振荡装置投入实际使用。提出了一种从IJJ的电压-电流特性评估IJJ在振荡运行期间的实际温度以及从IJJ到热浴的散热的方法。从之前的研究来看，为了从Bi2212-IJJ振荡出持续的太赫兹波，需要将结电压保持稳定在与太赫兹波所需频率相对应的值，同时需要保持Bi2212-IJJ很难手动控制结点的电压-电流特性，但很明显，存在一个最佳结温以获得适合振荡频率的电压-电流特性。另外，通过对体台面型IJJ和本研究提出的薄膜台阶型/薄膜台面型IJJ的结温和散热特性进行比较研究，散热特性没有显着差异Bi221 于 2021 财年启动。 2-IJJ 利用模型进行热传导分析，对太赫兹振荡器器件的一维热传导进行了分析，发现阻碍散热的因素是器件基材（基板）与器件之间的粘合层。 Bi-2212透露了一些东西。这表明，即使对于台面型器件，也可以改进粘合层并实现原本不具有粘合层的薄膜台面型Bi2212-IJJ太赫兹波振荡器件。此外，通过热分析，我们发现不仅具有无粘合层的薄膜器件的优点，而且即使在需要粘合Bi-2212单晶的块体台面型IJJ中，粘合层的导热率也可以得到改善这证明了在液氮温度下进行太赫兹振荡操作的可能性。