まえがきテラヘルツ周波数領域には様々なガス分子の輝線が存在する。それら輝線スペクトルは、ガス種類、密度、圧力、温度など様々な情報を与え、地球温暖化や大気汚染等に資する地球環境計測や、星や銀河の誕生や進化などを明らかにするテラヘルツ天文学などのリモートセンシング技術に活用することができる。また安心・安全を支えるセキュリティ技術、新たな周波数領域開発による大容量無線通信技術など、未開拓周波数領域であるテラヘルツ周波数領域には、様々な応用が期待されている。ヘテロダイン受信機はリモートセンシング技術における重要な要素である。このヘテロダイン受信機を構成するミキサ素子の一つに超伝導SISミキサが存在する。同ミキサは極薄トンネル障壁を二つの超伝導電極で挟んだ構造を基に、電極間に流れる極めて非線形性の強いトンネル電流を利用したミキサで、今日、1THzまでの周波数領域において、最も低雑音、広IF帯域の優れた特性を報告している[1]–[3]。しかしその構造に起因する比較的大きな接合容量から、動作周波数帯での同調回路が不可欠になっている。この同調回路は低損失導体薄膜で構成する必要があり、従前から主に超伝導薄膜材料が用いられてきた。しかし超伝導材料には転移温度（TC）に起因する、低損失特性の上限を決めるギャップ周波数が存在し、現状では1.5 THz以上の超伝導SISミキサの実現は困難であると考えられている。現在、1.5 THzを超える周波数領域における低雑音ミキサ素子として、超伝導ホットエレクトロンボロメータミキサ（HEBM）の研究・開発が進められている。HEBMは、二つの近接した金属電極を超伝導薄膜1超伝導ホットエレクトロンボロメータミキサ（HEBM）は、二つの近接した金属電極を超伝導極薄ストリップで接続した構造を有し、1.5 THz以上の周波数領域において極低雑音動作が報告されている。我々はHEBMの積年の課題であった中間周波数（IF）帯域の拡大を実現するため、磁性材料により超伝導の発現箇所を制御する新構造HEBM （Ni-HEBM）を提案した。磁性材料としてニッケル（Ni）薄膜をHEBM電極に採用することで、電極直下の窒化ニオブ（NbN）薄膜の超伝導を抑制できることを確認、電極間の僅か0.1 μm長のブリッジ部のみNbNを超伝導化することに成功した。その結果、Ni-HEBMのIF帯域幅は、従来の格子冷却型HEBMの約3 GHzから約6.9 GHzに向上した。また、2 THzにおけるミキサ雑音温度として、光学系損失の補正後の値で約570 K （DSB）という世界トップレベルの低雑音温度を達成した。The superconducting hot electron bolometer mixer (HEBM) has a structure in which two metal electrodes are connected by a thin superconducting strip, and it shows extremely low noise opera-tion in the frequency range over 1.5 THz. We have proposed a new HEBM structure (Ni-HEBM) using a magnetic thin film to achieve a wider intermediate frequency (IF) bandwidth. By adopting Au/Ni electrodes, the superconductivity of the niobium nitride (NbN) thin film under the electrodes can be suppressed by the magnetization of Ni, and the NbN film becomes superconducting state only at a limited area around a 0.1-μm-long bridge between the two electrodes. The resulting IF bandwidth was improved to about 6.9 GHz, which is much better than 3 GHz in our conventional phonon-cooling HEBM. The fabricated Ni-HEBM also showed an excellent low noise temperature of about 570 K (DSB) at 2 THz after correcting optical losses.2-2 磁性材料を用いた2 THz帯超伝導ホットエレクトロンボロメータミキサ2-22THz Hot Electron Bolometer Mixer Using Magnetic Material川上 彰 入交芳久KAWAKAMI Akira and IRIMAJIRI Yoshihisa192 光制御・ナノICT基盤技術 —基盤から応用まで—
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