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

• 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

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。

我们开发了一种采用NbTiN薄膜作为超导材料的太赫兹波段热电子测辐射热计（HEB）混频器。基于去年我们在 0.8 THz 频段获得了 500 K 的接收器噪声温度，我们在了解其特性方面取得了进展。我们关注的事实是，尽管所制造的 HEB 混合器具有相对较厚的 NbTiN 薄膜（12 nm），但扩散冷却机制（导致热电子逃逸到 Au 电极）可能正在发挥作用。在音乐会中。这似乎是因为 NbTiN 薄膜和 Au 电极在混合器制造过程中同时沉积，防止了两者之间形成氧化膜并实现良好的电接触。 HEB 混频器的桥长度（电极间距）越长，性能越差，这一事实支持了这一想法。这样，我们提出了一种将晶格冷却和扩散冷却相结合的新冷却方法（组合冷却）。同时，我们在1.5 THz频段成功进行了外差实验。首先，将NbTiN HEB混频器元件安装到波导安装座上，并在日本先进技术中心国家天文台松尾先生的合作下，使用傅里叶变换光谱仪测量其在太赫兹波段的响应特性。结果发现，石英基板的厚度需要为20μm左右。当我们用这样的设备进行外差实验时，我们在 1.5 THz 处实现了 1700 K 的接收器噪声温度。对于波导型 HEB 混频器来说，这是世界级的成果。考虑到波导安装座本身存在制造缺陷，且实验中使用的元件特性并非最佳，预计未来噪声将进一步降低。这使得太赫兹波段天文观测的发展成为可能。