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超伝導針状結晶からのテラヘルツ波放射に関する論文をApplied Physics Lettersで発表

物質材料研究機構の齋藤嘉人氏、高野義彦MANA主任研究者との共同研究で針状（ウィスカー）超伝導結晶を用いたテラヘルツ発振デバイスに関する論文がApplied Physics Letters誌のEditors’ pick（編集部おススメ）として掲載されました。

Polarization analysis of terahertz emission from Bi-2212 cross-whisker intrinsic Josephson junction devices and their refractive index 

Appl. Phys. Lett. 121, 212601 (2022); 　https://doi.org/10.1063/5.0123290

 Y. Saito,  I. Kakeya, and  Y. Takano

今回、私たちは短時間で育成できるビスマス系高温超伝導ウィスカー結晶を用いたテラヘルツ発振デバイスの開発に成功しました。超伝導テラヘルツ光源にはこれまで平板状単結晶が用いられてきましたが、ウィスカー結晶を用いることにより、素子作製時間の短縮と多機能化が見込まれ、研究開発の加速が期待できます。

本成果については、京都大学よりプレスリリースもされておりますので、そちらも参照ください。

超伝導針状結晶からのテラヘルツ波放射に成功ー超伝導テラヘルツ光源の機能開発を加速ー

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Applied Physics Lettersに論文が受理

American Institute of Physicsの英文速報誌Applied Physics Letters (APL)に投稿していたウィスカー結晶高温超伝導ジョセフソンプラズマ光源の放射特性とその数値計算を報告した、物質材料研究機構のグループとの共著論文が受理されました。

本研究室は、測定系の構築、数値計算を含む測定結果の解析、論文の執筆において重要な貢献を果たしております。

arxivにアップロードしているプレプリントはこちら。

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論文出版：ジョセフソンプラズマ光源の回路モデルと数値計算

応用物理学会の英文速報誌Applied Physics Express (APEX)から高温超伝導ジョセフソンプラズマ光源の回路モデルとその数値計算に関する論文が出版されました。

Circuit models of simultaneously biased intrinsic Josephson junction stacks for terahertz radiations in high-bias regime

Ryota Kobayashi1, Ken Hayama1 and Itsuhiro Kakeya1

Published 17 August 2022 • © 2022 The Japan Society of Applied Physics
Applied Physics Express, Volume 15, Number 9

本論文では、単独素子発振と2素子直列・並列接続の回路モデルを提案し、実験結果から回路パラメータを決めて2素子同期発振を記述しました。
同期発振に関して実験値に合わせこむ計算としては、新しい試みです。特に興味深い点としては、パッチアンテナの共振周波数と放射極大の周波数が一致しないことであり、ジョセフソンプラズマ光源の特徴として知られている広帯域発振の謎を解くカギになりそうです。

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論文出版：超伝導デバイスからのテラヘルツ波放射同期解析

高温超伝導体Bi2212単結晶から作成されたテラヘルツ放射デバイスについての論文がPhysical Review Applied誌から発表されました。本論文は、現M2の小林亮太、元修士課程院生の巴山顕が中心となって進めた実験の成果を産業技術総合研究所の辻本学博士と共にまとめたものです。

本論文では、放射テラヘルツ波の偏光測定結果について線形代数を用いた解析を行うことにより、同期する二つの素子からの放射電磁波の位相差が周波数に応じて変わっていくことを示しています。本論文で得られた成果をもとに系統的に調査を進めていくことにより、Beyond 5Gに求められる超高速通信のキャリア光源として有用なテラヘルツ電磁波を放射する超伝導デバイスが実現可能になります。

Spontaneous Frequency Shift and Phase Delay of Coupled Terahertz Radiation Mediated by the Josephson Plasmon in a Cuprate Superconductor

Ryota Kobayashi, Ken Hayama, Shuma Fujita, Manabu Tsujimoto, and Itsuhiro Kakeya
Phys. Rev. Applied 17, 054043 – Published 25 May 2022

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論文出版：ウィスカーBi2212接合からのテラヘルツ波発振

高温超伝導体Bi2212ウィスカー（針状）結晶から作製された固有ジョセフソン接合デバイスからのテラヘルツ発振に関する、物質材料研究機構などとの共同研究論文が、2月11日付けで応用物理学会の速報誌Applied Physics Express  (APEX)誌に掲載されました。共著者に当研究室の修士課程院生である巴山顕、元院生である藤田秀眞も含まれています。

これまでに当研究室などで進めてきたバルク単結晶を基にしたデバイスとは異なり、ウィスカー結晶を用いた場合、その固有の形状から微細加工が不要となったり、アンテナとして機能するため、テラヘルツ光源の機能性を高めることが期待されます。

THz emission from a Bi2Sr2CaCu2O8+δ cross-whisker junction

Yoshito Saito1,2, Shintaro Adachi1, Ryo Matsumoto3, Masanori Nagao4, Shuma Fujita5, Ken Hayama5, Kensei Terashima1, Hiroyuki Takeya1, Itsuhiro Kakeya5 and Yoshihiko Takano1,2

Published 11 February 2021 • © 2021 The Japan Society of Applied Physics

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論文出版：Pb1212の固有ジョセフソン特性

当研究室が初めてエピタキシャル膜の成長に成功した銅酸化物超伝導(Pb,Cu)Sr2(Y,Ca)Cu2O7  (Pb1212)のc軸固有ジョセフソン特性について報告した論文が日本物理学会の学術誌、Journal of Physical Society of Japanに掲載されました。

本論文は、当研究室の小森祥央元博士課程院生（現ケンブリッジ大学研究員）が博士課程在学時に進めた実験を再解析して執筆した成果です。

Interlayer Transport and Josephson Coupling in a 1212-type Cuprate Superconductor with a (Pb,Cu)–O Barrier Layer

Sachio Komori1,2, , and Itsuhiro Kakeya1,
A quasi-two-dimensional electron system resulting from a layered crystal structure is a common feature of high-temperature superconductors. In such a system, an interlayer Josephson coupling is responsible for bulk superconductivity. However, materials of interest are limited for Bi-based cuprates which have underdamped and systematically controllable interlayer Josephson junctions. Here, we report the c-axis transport properties and an interlayer Josephson coupling of a 1212-type cuprate superconductor which have not been well studied so far. We demonstrate an underdamped Josephson coupling between superconducting CuO2 double-layers through a chemically controllable (Pb,Cu)–O barrier layer. Broadly tunable Josephson properties through a chemical substitution demonstrated in this work in conjunction with a rich variety of barrier layers for 1212-type cuprates can potentially offer a material breakthrough in the research field of intrinsic Josephson junctions.
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Physical Review誌にLetter論文が発表されました

高温超伝導テラヘルツ光源の同期発振現象に関する筑波大学、パリ高等師範学校（ENS）との共同研究の成果がPhysical Review Applied誌のLetterセクションに掲載され、Editors’ Suggestionとして注目論文に採用されました。

Mutually Synchronized Macroscopic Josephson Oscillations Demonstrated by Polarization Analysis of Superconducting Terahertz Emitters

M. Tsujimoto, S. Fujita, G. Kuwano, K. Maeda, A. Elarabi, J. Hawecker, J. Tignon, J. Mangeney, S.S. Dhillon, and I. Kakeya
Phys. Rev. Applied 13, 051001 – Published 13 May 2020

本論文では、高温超伝導体単結晶上に作製したテラヘルツ光源から放射される電磁波の偏光（電磁波の偏り）について、素子構造のひとつから放射される場合とふたつから同時に放射される場合を比較して議論し、二つの素子構造におけるジョセフソン効果による電流振動が位相同期して強度の強い放射を実現していることを明示しています。

本研究の成果により、以下の波及効果が期待されます。

  1. 同期発振現象の解明による高強度テラヘルツ光源の実現
  2. テラヘルツ量子通信光源への応用の可能性

本研究は、当研究室卒業生である藤田秀眞氏の修士論文（2019年2月提出）での実験結果に加え、筑波大辻本グループによる精密測定と解析を得て、辻本博士、掛谷准教授、Dhillion博士 (ENS)で論文を執筆しました。本研究の技術的な肝であるテラヘルツ光学素子の検証がENSグループとの共同研究です。

Physical Review Applied誌のLetterセクションはPhysical Review Lettersと同等の観点で査読されることから狭き門でしたが、幸いにも受理され、さらにはEditors’ Suggestionにも採用されました。今後は本成果を発展させる研究を進めていきます。

筑波大学と京都大学から共同プレスリリースが出されておりますので、そちらもご覧ください。

超伝導体テラヘルツ光源の同期現象を初めて観測 －テラヘルツ量子通信デバイスの創成につながる新発見－

筑波大学プレスリリース
京都大学プレスリリース

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IEEE Transactions on Electron Devicesに論文が掲載されました。

後藤准教授が筆頭著者の真空電子デバイスに関する論文がIEEEの雑誌、IEEE Transactions on Electron Devicesに掲載されました。

Y. Gotoh et al., “Development of a Field Emission Image Sensor
Tolerant to Gamma-Ray Irradiation”,
IEEE Transactions on Electron Devices Volume 67, Issue 4,
pp. 1660-1665 (2020).
https://doi.org/10.1109/TED.2020.2977674

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希土類酸化物薄膜の磁性と電気伝導に関する論文が出版

京都大学工学研究科材料化学専攻の田中勝久研究室との共同研究で、希土類酸化物LuFe2O4薄膜に関する論文が英国Royal Society of Chemistryが発行する雑誌CrysEngCommに発表されました。

この中で、当研究室は電気抵抗測定を担当し、電気伝導メカニズムの解明に貢献しました。

Magnetic and electrical properties of LuFe2O4 epitaxial thin films with a self-assembled interface structure†

You Jin Kim, ORCID logo a   Shinya Konishi,a   Yuichiro Hayasaka,b   Itsuhiro Kakeyac  and  Katsuhisa Tanaka*a  
 Author affiliations

Abstract

LuFe2O4 has been the most extensively studied among a series of RFe2O4 (R = Sc, Y, In and Dy to Lu) compounds, which possess both dielectric and magnetic orderings originating in equal numbers of Fe2+ and Fe3+ ions in a triangular lattice. We have prepared LuFe2O4 thin films epitaxially grown on a (111)-oriented YSZ (yttria-stabilized zirconia) substrate via a pulsed laser deposition method and found that the resultant thin film comprises a curious self-assembled interface structure. Our structural analysis at an atomic level by using high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray spectrometry reveals that very thin layers of LuFe2O4 lacking Fe–O layers, corresponding to the hexagonal LuFeO3 and Lu2Fe3O7 compositions, are formed at the interface between the c-axis oriented LuFe2O4 thin film and YSZ substrate with a Lu-rich region just on the surface of the substrate. Such an interfacial structure leads to an exchange bias effect peculiarly observed for an interface formed by different types of magnetic materials. The LuFe2O4 thin film itself shows spin glass transition similar to bulk LuFe2O4 with an off-stoichiometric oxygen ratio. Also, a change in electronic transport behavior between Arrhenius-type and variable range hopping schemes has been observed in the temperature dependence of electrical resistivity around the three-dimensional charge ordering temperature.

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三層系ビスマス高温超伝導体特有の現象をPhysical Review Bに発表

アメリカ物理学会誌Physical ReviewBに、超伝導転移温度が最も高い構造である三層系銅酸化物高温超伝導体特有の現象に関する弘前大学、物質材料研究機構との共同研究の成果を発表しました。

Role of the inner copper oxide plane in interlayer Josephson effects in multilayered cuprate superconductors

Yoshiki Nomura, Riku Okamoto, Taka-aki Mizuno, Shintaro Adachi, Takao Watanabe, Minoru Suzuki, and Itsuhiro Kakeya
Phys. Rev. B 100, 144515 – Published 28 October 2019

 

著者らは銅酸化物高温超伝導体のうち三層系物質に特有の伝導現象を初めて報告した。主な高温超伝導体には、銅と酸素の原子面が1枚、2枚、3枚重なっている一層系、二層系、三層系の物質があり、超伝導転移温度は原子面の数が増えるにしたがって増加することが知られている。これまでの研究では、3種の構造を持つ物質の間で、量的な違いは見られるものの、質的な違いを示すような特有の現象については報告されていなかった。著者らは、三層系銅酸化物単結晶の表面に微小構造を作製して、結晶構造の積層方向の電流電圧特性を測定することで、三枚の銅―酸素原子面のうち、真ん中の銅―酸素原子面が超伝導特性にもたらす特有の役割を指摘した。

発見した現象は、結合する複数の振り子のふるまいで例えることができる。ジョセフソン接合と呼ばれる1対の銅―酸素原子面からなる構造を一つの振り子とすると、超伝導体単結晶は多数の振り子がつながっている状態と考えられる。二層系では、隣接する振り子が強く結合しているが、三層系では結合せず独立に振動していおり、その違いを著者らは見出した。