窒化ニオブチタンを用いたHEBミクサー開発によるテラヘルツ帯天体観測の開拓

开发使用铌钛氮化物的 HEB 混频器，开创了太赫兹波段天文观测的先河

基本信息

批准号：
07F07031
负责人：
山本智
金额：
$ 1.47万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07F07031/
关键词：
天文超伝導デバイステラヘルツ波サブミリ波

项目摘要

NbTiN薄膜を超伝導物質として用いたテラヘルツ帯ホットエレクトロン・ボロメータ(HEB)ミクサの開発を進めた。昨年度、0.8THz帯において受信機雑音温度500Kを得ることができたことを踏まえ、その特性の理解を進めた。製作したHEBミクサのNbTiN薄膜の厚みが12nmと比較的厚いにも拘わらず良い性能が得られていることに着目し、その原因として、格子冷却(フォノンを介して基板に熱電子のエネルギーを逃がす)機構とともに、拡散冷却(熱電子をAu電極に逃がす)機構が協奏して働いている可能性を指摘した。これは、ミクサの製作過程において、NbTiN薄膜とAu電極を同時製膜している関係で、両者の間に酸化膜の形成が起こらず、良好な電気接触を実現しているためと見られる。HEBミクサのブリッジ長(電極間隔)を長く取ると性能が劣化することは、この考えを支持する。このように格子冷却と拡散冷却を併用する新しい冷却方式(複合冷却)を提案した。一方、1.5THz帯でのヘテロダイン実験に成功した。まず、導波管マウントにNbTiN HEBミクサ素子を装着し、テラヘルツ帯での応答特性を国立天文台先端技術センターの松尾氏の協力を得てフーリエ変換分光器で測定した。その結果、石英基板厚を20μm程度にする必要があることがわかった。そのような素子で、ヘテロダイン実験を行ったところ、1.5THzで受信機雑音温度1700Kを実現した。これは導波管型のHEBミクサとしては世界水準の結果である。導波管マウントそのものに製作上の欠陥があること、実験に用いた素子の特性が最良のものではないこと、などを考えると、今後一層の低雑音化が見込まれる。これにより、テラヘルツ帯における天体観測に駒を進めることができるようになった。

我们一直在使用NBTIN薄膜作为超导材料开发Terahertz带热电子货币计（HEB）混合器。去年，我们能够在0.8THz频段中获得500K的接收器噪声温度，并能够理解其特性。我们关注的事实是，制造的HEB混合器的NBTIN薄膜的厚度相对厚度为12 nm，并指出，这样做的原因是晶格冷却的机理（将热电子的能量释放到通过声子通过声子释放到子板上），并散布热冷却（将热电向释放到aueelectrons中）。这被认为是因为在混合器的制造过程中同时形成了NBTIN薄膜和AU电极，并且它们之间不会发生氧化物膜的形成，从而产生良好的电气接触。这个想法支持了这一想法，即HEB混合器的长桥长度（电极间距）会恶化性能。这样，提出了一种新的冷却方法（复合冷却），将晶格冷却和扩散冷却结合在一起。同时，在1.5THz频段中，杂差实验成功。首先，将NBTIN HEB混合器元件连接到波导座上，并在国家天文天文台先进技术中心的Matsuo合作的情况下，使用傅里叶变换光谱仪测量了Terahertz频段中的响应特性。结果，发现石英底物的厚度必须约为20μm。使用这样的设备进行了杂化实验，接收器噪声温度为1700K，在1.5THz时为1700K。这是波导类型HEB混合器的世界一流结果。考虑到波导安装本身具有制造缺陷，并且实验中使用的元素的特征不是最好的，因此预计将来会降低进一步的噪声。这使得碎片可以在Terahertz腰带中前进。