宇宙史国際連携研究・教育プログラム

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いっけいこしの
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超伝導トンネル接合素子 STJ を用いた光量子計測金信弘 ( 筑波大学数理物質系,CiRfSE) 於つくば国際会議場 2016 年 11 月 10 日 For

筑波大学 ), 池田博一, 和田武彦, 長勢晃一 (JAXA/ISAS), 新井康夫, 倉知郁生, 羽澄昌史 (KEK), 大久保雅隆, 浮辺雅宏, 志岐成友,

廣瀬龍太, 浅野千沙, 加藤圭騎, 辻紘也 ( 福井大学 ), 加藤幸弘 ( 近畿大学 ), 川人祥二 ( 静岡大学 ), Erik Ramberg, Mark

1 超伝導トンネル接合素子 STJ を用いた光量子計測金信弘 ( 筑波大学数理物質系,CiRfSE) 於つくば国際会議場 2016 年 11 月 10 日 For COBAND Collaboration 金信弘, 武内勇司, 武政健一, 永田和樹, 笠原宏太, 先崎蓮, 森内航也, 八木俊輔, 若狭玲那, 大塚洋一 ( 筑波大学 ), 池田博一, 和田武彦, 長勢晃一 (JAXA/ISAS), 新井康夫, 倉知郁生, 羽澄昌史 (KEK), 大久保雅隆, 浮辺雅宏, 志岐成友, 藤井剛 ( 産総研 ), 松浦周二 ( 関西学院大学 ), 石野宏和, 樹林敦子 ( 岡山大学 ), 美馬覚, 木内健司 ( 理化学研究所 ), 吉田拓生, 廣瀬龍太, 浅野千沙, 加藤圭騎, 辻紘也 ( 福井大学 ), 加藤幸弘 ( 近畿大学 ), 川人祥二 ( 静岡大学 ), Erik Ramberg, Mark Kozlovsky, Paul Rubinov,,Dmitri Sergatskov (Fermilab),Soo-Bong Kim (Seoul National University) 1

超伝導トンネル接合素子検出器 STJ (Superconducting Tunnel Junction)Detector 超伝導膜 / 絶縁膜 / 超伝導膜ジョセフソン結合入射粒子励起電子 ( 準粒子 ) 2Δ STJ I-V 曲線クーパー対 S I S ジョセフソン電流 Critical current I c Normal resistance R

2 超伝導トンネル接合素子検出器 STJ (Superconducting Tunnel Junction)Detector 超伝導膜 / 絶縁膜 / 超伝導膜ジョセフソン結合入射粒子励起電子 ( 準粒子 ) 2Δ STJ I-V 曲線クーパー対 S I S ジョセフソン電流 Critical current I c Normal resistance R n in V > 2Δ/e リーク電流 ( Dynamic resistance R d in V < 2Δ/e) エネルギーギャップ Δ が通常の検出器 ( 半導体検出器等 ) に比べて桁違いに小さい低エネルギー放射線を高エネルギー分解能で一光子ごとに測定できる Si Nb Al Tc[K] Δ[meV]

用いた極低温増幅器と超伝導トンネル接合素子 STJ を一体化した SOI-STJ

(Silicon-On-Insulator) 技術 MOSFET4K で動作 (by

167 602 (2012)) ~50nm + SOI 回路と一体化した STJ

-MOSFET SiO 2 絶縁膜上に MOSFET を形成非常に薄いチャンネル層

3 1. SOI-STJ: 筑波大, KEK, 産総研等との共同研究で, SOI(Silicon-On-Insulator) 技術を用いた極低温増幅器と超伝導トンネル接合素子 STJ を一体化した SOI-STJ 検出器を開発中 Nb/Al-STJ 素子 SOI 読み出し回路 + SOI (Silicon-On-Insulator) 技術 MOSFET4K で動作 (by T. Wada (JAXA) et al. J. Low Temp Phys (2012)) ~50nm + SOI 回路と一体化した STJ 検出器 Nb/Al-STJ を SOI 回路基板上に作成 3 FD-SOI -MOSFET SiO 2 絶縁膜上に MOSFET を形成非常に薄いチャンネル層 3K 以下の極低温でも動作 2. Hf-STJ: 筑波大, KEK 等との共同研究で, Hf を用いた超伝導トンネル接合素子 Hf-STJ を開発中

4 数理物質融合科学センター宇宙史国際研究拠点が強力に推進するプロジェクトビッグバン宇宙誕生の数秒後宇宙背景ニュートリノ CνB ビッグバン宇宙誕生の30 万年後宇宙背景マイクロ波輻射 CMB CνB : 宇宙の極初期の情報を持つ宇宙起源の理解の重要な鍵約 100 個 /cm 3 と大量に存在ニュートリノ崩壊探索のニュートリノ源 2019 年ロケット実験極低温 SOI 前置増幅器付き Nb/Al-STJ+ 回折格子 2020 年以降衛星実験 Hf-STJ ( マイクロカロリメータ ) 4

50μm(25meV) 100 500 [ m] Nb/Al-STJ array

5 dn /d (a.u.) ロケット搭載型遠赤外線望遠鏡ニュートリノ崩壊光の波長分布 2 E γ = m 3 2 m 1,2 2m 3 Sharp Edge with 1.9K smearing m 3 = 50 mev Red Shift effect 10 50μm(25meV) [ m] Nb/Al-STJ array ニュートリノ崩壊探索実験の STJ 検出器に対する性能要求 : 遠赤外線光子の一光子検出 (1)2μsec 積分したノイズ電荷が 30e 以下 Δθ Δλ λ = 40 80μm E γ = 16~31meV (2) STJ のリーク電流が 0.1nA 以下 5

6 drain-source current 1mA/DI V SOI-STJ: SOI 上に STJ を形成後の特性評価 KEKクリーンルーム施設で FD-SOI 基板上にSTJを形成 nmos-fetのi ds -V gs 曲線 Nb/Al-STJ(50μ 角 ) のI-V 曲線 1mA 1 A 2mV/DIV 1nA 1pA gate-source voltage (V) B~150Gauss STJ を形成した FD-SOI 基板上の MOS-FET が極低温 1K 以下で正常動作極低温では, スレッシュホールド電圧のシフト, サブスレッシュホールド領域のドレイン電流抑制, 飽和領域でのドレイン電流の上昇など, 特性が変動 SOI-STJ 上のNb/Al-STJ も正常に動作現在産総研 CRAVITY 施設を用いて SOI-STJ 開発中 6

7 Leakage Nb/Al-STJ の性能評価結果産総研 CRAVITY 施設で作成した STJ の性能試験 : リーク電流 0.2nA (50μm 角 ) 達成 100nA 10nA 50μm Nb/Al-STJ Nb/Al/Al 2 O 3 /Al/Nb 膜厚 100nm/70nm/1nm/70nm/120nm 1nA 100pA I leak Te Δ k b T Temperature(K) by T. Fujii (AIST) エネルギーギャップ Δ=0.57meV 20μ 角のSTJでは STJのリーク電流がニュートリノ崩壊探索実験のSTJ 検出器に対する性能要求の 0.1nA 以下を満たした STJ size # of samples In 2014, I leak = 0.2nA at 300μV I leak at 0.3mV 50 x 50μm ±29 pa 20 x 20 μm ±13 pa 10 x 10 μm ±7 pa 7

8 Nb/Al-STJ 光応答試験 T=350mK で波長 465nm の可視光レーザーに対する Nb/Al-STJ の応答信号光子数 10 に対する応答信号 (1 光子に対して S/N=1) 読み出し系のノイズを小さくするために極低温 SOI 前置増幅器を STJ 直近の冷凍機内に設置する可視光レーザー (λ=465nm) K 8

Input Output Amplified Output (50mV/div) Gain vs.

9 極低温 SOI 前置増幅器のテスト結果 Input and Amplified Output Amplifier + Buffer Input (1mV/div) Time scale 2ms/div Input Output Amplified Output (50mV/div) Gain vs. Frequency at 300mK 300mK で周波数 400kHz まで 80 倍増幅が達成された 100kHz 9

10 STJ 擬似信号に対する SOI 前置増幅器の出力 150mV 8mV 10mV 10 極低温 SOI 前置増幅器 T=350mK 増幅度 30 消費電力 100μW. T=350mK INPUT 100 s Nb/Al-STJ の光応答信号を極低温 SOI 前置増幅器で増幅する性能試験進行中 OUTPUT

11 STJ 検出器エネルギー分解能 / 1.7 ( FE) 1.7% Hf-STJ 検出器のエネルギー分解能マイクロカロリメータ : Hf-STJ では, 25meV の光子はクーパー対を壊して, エネルギーを 2% の精度で測定するのに十分な数の準粒子を生成する Δ(Hf)=0.021meV E at 25meV Δ: エネルギーギャップ F : Fano factor (= 0.2) E : 入射粒子エネルギーハフニウム Hf を超伝導体として用いると, E E E Material Niobium Aluminum Hafnium Tc : 転移温度 Tc の 1/10 程度の温度で運転我々が Hf-STJ の SIS 構造を世界で初めて観測 (TIPP2011 で報告 )

12 目標 : ニュートリノ崩壊探索実験のために遠赤外一光子のエネルギーを 2% の分解能で測定する Hf-STJ (100x100 m 2 ) の I-V 曲線 T~40mK, I c =10μA, R d =0.6Ω B=0 Gauss B=10 Gauss STJ size # of samples R d 200 x 200μm ±0.01 Ω 100 x 100 μm ±0.10 Ω 12

13 2016 年, HfO 層 (1-2 nm) の上に Al 薄膜層 (9nm) をつけて Ar プラズマで削り薄くして Hf/Al/HfO X /Hf-STJ を作成. リーク電流を下げた. Rd: 0.2Ω 3.3Ω T = 128mK, Δ= 20~30μeV ジョセフソン電流が磁場印加で抑制磁場印加 5Gauss 13

14 可視光レーザー (λ=465nm) 10Hz レーザー発振パルス幅 5μs 定電流設定値 HF-STJのパルス光応答信号を観測光応答速度 120μsはNb/Al-STJ( 数 μs) に比べて遅い 14

15 STJ 検出器を用いた光量子計測数理物質融合科学センター光量子計測器開発推進室が下記の計測器開発を強力に推進している宇宙背景ニュートリノ崩壊探索 : 筑波大 ( 金信弘 ), KEK, 産総研 JAXA 等の共同研究 STJ 検出器を用いて宇宙遠赤外線のエネルギー測定 ( E ~25meV, ΔE/E= 2% ) 宇宙背景ニュートリノ崩壊起因のカットオフ信号を探索生体分子研究 : 筑波大 ( 冨田成夫 ), KEK, 産総研京都大の共同研究 STJ 検出器を用いて電気的に中性の生体分子の運動エネルギーと飛行時間を測定 ( 運動エネルギー E < 3keV, ΔE = 200eV ) 生体分子の質量を測定糖ペプチドの構造解析結合位置の決定低エネルギー光量子の測定赤外線光子一光子分光高分解能 X 線分光が可能他の応用分野がありましたらご意見をお聴かせください. 15

まとめ宇宙背景ニュートリノ崩壊探索 COBAND 実験で遠赤外線 ( 波長 50μ 程度 ) 光子分光のために STJ 検出器開発ロケット実験用の分光素子 + Nb/Al-STJ による遠赤外線光子計数極低温 SOI 増幅器による STJ 信号の超低ノイズ読出し将来の衛星実験用の Hf-STJ

16 まとめ宇宙背景ニュートリノ崩壊探索 COBAND 実験で遠赤外線 ( 波長 50μ 程度 ) 光子分光のために STJ 検出器開発ロケット実験用の分光素子 + Nb/Al-STJ による遠赤外線光子計数極低温 SOI 増幅器による STJ 信号の超低ノイズ読出し将来の衛星実験用の Hf-STJ 産総研の CRAVITY 施設で作成した Nb/Al-STJ 試作機は実験要求のリーク電流 0.1nA 以下を満たす極低温 SOI 前置増幅器が極低温 350mKで動作周波数帯域 <400kHz, 増幅度 80 倍 SOI-STJ 一体型検出器を開発中 Hf-STJ のパルス光応答信号を初観測 16

PowerPoint プレゼンテーション

PowerPoint プレゼンテーション冷却エレクトロニクス STJ 読み出し用 SOI 極低温アンプ TIAかけはし事業簡単便利な超伝導計測ミニ研究会 2017 年 1 月 4 日 @ 物質材料研究機構 (NIMS) 武内勇司 ( 筑波大 ) on behalf of COBAND collaboration 1 500pA/DIV Leakage CRVAVITY 製 Nb/Al-STJ 50 m sq. Nb/Al-STJ