高温超伝導体を用いたテラヘルツ発振デバイスで周波数変調に成功した結果がNature Photonicsに掲載されました。
Masashi Miyamoto , Ryota Kobayashi , Genki Kuwano , Manabu Tsujimoto & Itsuhiro Kakeya , Nature Photonics
併せて京都大学からプレスリリースを出しました。
電子工学専攻の掛谷一弘准教授、宮本将志修士課程院生ら、産業技術総合研究所量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センターの辻本学主任研究員らの研究グループは、ビスマス系高温超伝導体を用いた超伝導テラヘルツ光源からエフエム（周波数数変調）電磁波の空間への放射を実現しました。
空間を飛ぶ電波・光を用いて大量のデータをやりとりする高速無線通信の要望が、コロナ禍を経てますます高まっています。その世界的な需要に対応するために、さらに進化した無線ネットワーク、Beyond 5G／6G技術の開発が急ピッチで進んでいます。こうした無線通信に必要な電磁波の周波数帯であるテラヘルツ帯の光源のひとつとして、超伝導テラヘルツ光源が研究されています。本研究グループは、超伝導だけが持つ性質であるジョセフソン効果を利用することで、市販の信号発生器から発生する3ギガヘルツのマイクロ波信号をテラヘルツ波に乗せて送信する、テラヘルツ波エフエム技術の開発に成功しました。実験の結果、現行の光ファイバーインターネットサービスの100分の1以下の時間で4K動画などの大きなデータを、無線で送れる能力を持つことが示されました。
本成果は、2024年1月10日に英国の国際科学学術雑誌Nature Photonics 誌にオンライン公開されました。
マイナビニュースに掲載されました（2024/1/15）京大、61GBを3.8秒で送信するFM方式での高速テラヘルツ波送信に成功
日本経済新聞に掲載されました8K映像の即時伝送も 京大など、高周波を超電導体で送信（2024/1/18） 8K映像を即時送信する技術（2024/1/19）
3月15日から18日の間、上智大学で行われた応用物理学会第70回春季学術講演会に大住と小林（ともにM2）が以下の通り発表を行いました。
〇大住 知暉1,2 、長尾 昌善2 、後藤 康仁1 (1.京大院工、2.産総研)
〇(M2)小林 亮太1 、巴山 顕1 、掛谷 一弘1 (1.京大院工)
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
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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
第83回応用物理学会秋季学術講演会（東北大学）において、3件の研究室メンバーによる発表を行いました。
〇西村 太一1 、中村 公大1 、小森 祥央2,3 、J. ロビンソン3 、J. マンジュネ4 、J. ティノン4 、S. ディロン4 、掛谷 一弘1 (1.京大院工、2.名大院理、3.ケンブリッジ大学、4.パリ ENS)
〇(M1)柳生 望光1 、小林 亮太1 、掛谷 一弘1 (1.京大院工)
〇(M2)小林 亮太1 、巴山 顕1 、掛谷 一弘1 (1.京大院工)
ほか、共著論文として、3件の発表が共同研究者により行われました。
日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学）で下記1件の発表を行いました。
13aW935-6 PCMO/YBCO二層膜におけるテラヘルツ時間領域分光 西村太一A , 中村公大A , 小森祥央B, C , J. ロビンソンC , J. マンジュネD , J. ティノンD , S. ディロンD , ○ 掛谷一弘A
また、東北大学の野島先生によるチュートリアル講演「新展開を見せる２次元超伝導研究へのチュートリアル：原子層物質の低次元性と高い結晶性が生み出す新規物性」 の座長を務めました。本チュートリアル講演は掛谷が提案し、学会において採用されたもので、当日は150名程度の現地参加、100名程度のオンライン参加という大変盛況で、当該分野の注目度が再認識されました。
応用物理学会の英文速報誌Applied Physics Express (APEX)に投稿していた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を報告した論文が受理されました。
以下リンク先にプレプリントが公開されております。
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/ac8597
10月12日から14日までフランス、パリのCollege de Franceを現地サイトとしてハイブリッド形式で実施された国際会議”Low dimensional superconducting hybrids for novel quantum functionalities “において、掛谷が25分のMutual synchronization of non-linear Josephson oscillations mediated by superconducting plasmons of cuprate superconductors
当該会議は、欧州における科学技術振興のための共同研究の枠組みCOSTにおける一つのプロジェクトであるNANOCOHYBRIの一環で、主に欧州の研究者が研究交流を行う中、少数の日本からの研究者として講演を行いました。
オンラインで開催された第81回応用物理学会秋季学術講演会で巴山と掛谷の2名が超伝導・基礎物性セッションで発表を行いました。
〇末木 聖大 1 、中村 公大1 、Jacques Hawecker2 、Juliette Mangeney2 、Jerome Tignon2 、Sukhdeep Dhillon2 、掛谷 一弘1 (1.京大院工、2.パリ高等師範学校)
〇巴山 顕 1 、藤田 秀眞1 、前田 慶一郎1 、辻本 学2 、掛谷 一弘1 (1.京大院工、2.筑波大数理物質)
オンラインで実施された、日本物理学会2020年秋季大会で掛谷が領域6「超伝導」セッションにおいて発表を行いました。
また、掛谷の発表に引き続いて筑波大学の辻本学助教が我々との共同研究成果の発表を行い、掛谷は共著者として質問に答えました。
9aF1-1 固有ジョセフソン接合メサ構造の臨界電流分布制御による円偏光テラヘルツ波放射
掛谷一弘A 、前田慶一郎A 、巴山顕A 、栗山由也A 、A 、辻本学A 、浅井栄大A
京大院工A 、筑波大数理物質B 、産総研C
9aF1-2 Bi-2212固有接合系における巨視的ジョセフソン振動の相互同期
辻本学A 、藤田秀眞B 、桑野玄気A 、前田慶一郎B
アセム エルアラビB ，掛谷 一弘B
筑波大数理物質A 、京大院工B
双方の発表共に、聴講者から数多くの質問が出ました。
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. KakeyaPhys. 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。
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
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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京都大学の超伝導・真空電子デバイスに関する研究室, Research group for superconducting and vaccum electronics in Kyoto Univ.
