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1
宇宙マイクロ波背景放射(CMB)偏光測定用Microwave Kinetic Inductance
Detectors(MKIDs)の開発
総研大、高エネ研A、岡山大B、理研C、天文台D
渡辺広記○、羽澄昌史A、吉田光宏A、佐藤伸明A 、都丸隆行A、木村誠宏A、岡村崇弘A 、石野宏和B、樹林敦子B、岐部桂朗B 、美馬覚B 、山田要介B 、湯浅泰気B 、有吉誠一郎C、大谷知行C、野口
卓D、他KEK測定器開発室:超伝導ミリ波カメラ開発グループ
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目次
研究背景
MKIDsの原理
構造・動作
高感度MKIDsに向けた改善
今後の方針、課題
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研究背景
現在我々CMBグループでは、CMBのBモード偏光の精密測定を目的とした小型衛星LiteBIRDを計画している
LiteBIRDからの検出器への性能要求 周波数:60~250GHzで5バンド
帯域幅は30%
超高感度:NEP ~10-18W/√Hz CMBのフォトンノイズリミット
約2000個のアレイ
本発表のMKIDsは、多素子化に対して絶大な能力を発揮するということから、よい候補である。
CMB偏光 Bモード
銀河系内 シンクロトロン放射
銀河系内 ダスト熱放射
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研究背景
現在我々CMBグループでは、CMBのBモード偏光の精密測定を目的とした小型衛星LiteBIRDを計画している
LiteBIRDからの検出器への性能要求 周波数:60~250GHzで5バンド
帯域幅は30%
超高感度:NEP ~10-18W/√Hz CMBのフォトンノイズリミット
約2000個のアレイ
CMB偏光 Bモード
銀河系内 シンクロトロン放射
銀河系内 ダスト熱放射
本発表 4
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MKIDSの構造・動作
5
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MKIDSの 動作原理
L 超伝導 マイクロ波 共振器
アンテナ
Feed Line
6
断面図
基盤Si
金属
切断面
Coplanar wave guide
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MKIDSの 動作原理
L
アンテナ
Feed Line
超伝導 マイクロ波 共振器
4~8GHz
7
f[GHz]
Normal state
f
断面図
基盤Si
金属 電圧
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MKIDSの 動作原理 CMB(~100GHz)
L
アンテナ
Feed Line
超伝導 マイクロ波 共振器
4~8GHz
8
f[GHz]
Normal state
f
電圧
-
L+ΔL
MKIDSの 動作原理
9
CMB(~100GHz)
マイクロ波 共振器
アンテナ
Kinetic Inductance
Lkが増加
アンテナ
Feed Line
超伝導 マイクロ波 共振器
4~8GHz
L=LK+LM LK:Kinetic Inductance LM:Magnetic Inductance
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MKIDSの 動作原理
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CMB(~100GHz)
共振周波数が低い方へ変化する
L+ΔL
アンテナ
Feed Line
超伝導 マイクロ波 共振器
4~8GHz
f[GHz] f
Normal state Absorbed photon
f
f< f
電圧
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MKIDSの種類:吸収型、透過型
結合が不足でもクリアに測定可能
位相検出の場合RFの振幅変動に依存しない
位相フィードバックによる読み出しが可能 ⇒ 岐部さんの発表
Z0 Z0
Z0
吸収型:従来型5-10ページ
Z0 Z0
Z0
Z0 Z0
/ 2/ 4
透過型:本発表
f
S21
f
S21 結合が合って いれば
結合が合って いないと埋もれる
結合が合って いなくてもクリアに見える
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MKIDSの作製
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アライナー アライナー
KEKの超伝導検出器開発装置
AFM
Metal sputter
Insulator sputter
RIE Etcher Aligner
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製作の様子@KEK
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本発表の本題
超高感度:NEP ~10-18W/√Hz 達成に向けて
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MKIDSのNEP
221
2121 resrr
qp
ffN
fSNEP
雑音 ノイズスペクトル
V
Q
Nqp
71063.1 α :LK/Ltot Q : Q値 V : 体積
感度
τr : recombination time τres : resonator response time Δ : superconducting energy η : absorption efficiency
NEPをよくするためには高いQ値が重要 Q~5*10^5でNEP~5×10^(-18) @SRON 100mK
Benjamin A.Mazin,”Microwave Kinetic Inductance Detectors”2004
Material:Al f~6GHz T
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前学会での報告
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
100 200 300 400
Q値
測定温度(mK)
5.82GHz
5.72GHz
スパッターを使用してRIEでエッチングをし、作成を行ったAl-MKIDsのQ値
測定温度が低くなるにつれてQ値の上昇がみられた。 しかし、140mKでのQ値はそれぞれ約23,000、約34,000と目標より一桁低い値となった 考えられる原因 • 共振器の金属による損失 アルミの純度、共振器外への電磁波の放射 • 構造による損失 フォトレジストの溶け残りによる損失など
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作製方法の変更点 前回 今回
作成方法 RIEエッチング リフトオフ
膜厚 150nm 150nm,500nm ⇒
⇒
18
プラズマ プラズマ
Si
Al
バリ
RIEエッチングの場合
リフトオフの場合
Si Si
リフトオフ ⇒ 構造、汚れの改善
RIEエッチングの場合、CPWの構造にバリのようなものが出来る
-
作製の変更点
エッチング ⇒ 汚れ、構造の改善
CPWの構造にバリのようなものが出来る
リフトオフにより改善
RIEエッチングによるフォトレジストの
焦げ付きを改善
膜厚 ⇒ 共振器外への電磁波の
放射の抑制
前回 今回
エッチング RIEエッチング リフトオフ
膜厚 150nm 150nm,500nm
⇒
⇒
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RIEエッチングの例 改善前
リフトオフの例 改善後
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測定結果:Q値の比較
前学会時:エッチング、150nm Q~5,000
リフトオフ、150nm Q~11,000 リフトオフ、500nm Q~22,000
20 -35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
4.84E+09 4.845E+09 4.85E+09
-25
-23
-21
-19
-17
-15
4.95E+09 4.955E+09 4.96E+09
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
6.663E+09 6.668E+09 6.673E+09
0.3KでのエッチングとリフトオフのQ値
Material:Al
-
測定結果:Q値の温度依存性 @0.3K付近
21
1.00E+03
1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Q値
温度(K)
simulation
4.79GHz
4.84GHz
5.00GHz
5.86GHz
実験値 設計値
100mKでの測定を行うことで、さらなるQ値の上昇が見込まれる
50万
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まとめ・今後の予定
まとめ
高感度化に向けて 作製方法を変更してAl-MKIDsを作成
Q値~2×10^4 @0.3Kの作製に成功
さらに低温での測定を行い、目標のQ~10^5を目指す
今後の予定・課題 100mKでのAl-MKIDsの測定
多色化に向けたデザインの作成・評価
22
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BACK UP
23
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MKIDSの原理
MKIDs(Microwave Kinetic Inductance Detectors)
超伝導状態の金属を常時電気的に揺らす。 ↓
入射photonが超伝導体のCooper pairを解離させ、準粒子が増加する。 ↓
超伝導の表面インピーダンスが変化 ↓
Kinetic Inductanceが変化
↓
共振周波数が変化→位相が変化→測定
Cooper pair 準粒子
Photon
24
02
qps
s
nZ
Z N
2
2
2
2
2 6
2 2
qp qp qp
f L
f L
dd Q dL Q
dN L dN dN
-
NEP
検出器で検出可能な最小の入力パワー
↪ S/N = 1 となる入力パワー
Vn: 雑音電圧
R : 感度 (Vout/Pin)
Vout : 出力電圧
Pin : 入力パワー
2/1// HzWRVnNEP
NEP : Noise Equivalent Power
25
-
WLW
W
IIL KK
022
2
02
2
12
82
1
t>2λ
Impedance of a superconducting strip
T
-
実数項
常伝導電子
虚数項
超伝導電子
Mattis-Bardeen theory
-
TkTkNTn BBqp 0exp022 0
The Density of thermally-excited quasiparticles
Quasiparticle Life Time
TkTc
T
TkB
cBqp
exp
212/12/5
0
2/1
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等価回路:吸収型、透過型 MKIDS
結合が不足でもクリアに測定可能
位相検出の場合RFの振幅変動に依存しない
Z0 Z0
Z0
吸収型
Z0 Z0
Z0
Z0 Z0
/ 2/ 4
透過型
f
S21
f
S21 結合が合って いれば
結合が合って いないと埋もれる
結合が合って いなくてもクリアに見える
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ダストからの放射が偏光する機構はどのようなものか?
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シンクロトロン放射の偏光の様子
磁力線 シンクロトロン放射の偏光状態 磁力線に垂直方向の直線偏光
エネルギー的に安定なため、 ダストは長軸が磁力線と垂直に なるように整列する。=磁力線に 垂直方向にワイヤーが張られた ワイヤーグリッドが置かれた状態と等価
ダストからの熱放射は、 ダストの長軸に沿った方向
≈磁力線に垂直方向 に偏光する。
-
常伝導のS13
S13 ~0.02 ↓ Q =π/2/S13
2 ~4000
31
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超伝導体の選択
32
0.3 K の冷凍機ではAlのTc/4 程度なのでQが低い → 共振器の性能は Nb で評価 →Alでミリ波に対する感度を評価
2Δ(0K)=3.528kTc
エネルギーギャップ2Δ(0Kのとき)と超伝導転移温度Tcの関係式
32
-
断面図
MKIDsの作成・Al(50nm)、Nb(200nm)
基板
Al/Nb等
Si or Sapphire
基板
10
Coplanar Waveguide (CPW)
0.3 K の冷凍機ではAlの超伝導転移温度の1/4程度なのでQが低い Nb:共振器の性能、原理検証 Al:CMBに最適な超伝導ギャップ(80GHz)を持っている →ミリ波に対する感度を評価
-
0 0
0
10 3 1 3 4
14
2.5
0
/
2 2
2 /
/
2 1.72 10 [ ] 4000[ ] 1.8 10 [ ] 3.5[ ] / 5200[ ]
0.57 2.9 10 [ / ]
100 [ ]
1 24.8 @0.B
qp qp photon
qp
photon
k T
qp
qp B c c
n P hZs
Zs N N V
N V f f
P h
m eV m eV MHz MHz
photons s
ns
Te s
k T T
14 1/2
38
2 2 10 [ / ]eq
gr
qp
K
NNEP W Hz
02
qps
s
nZ
Z N
ミリ波の照射からのNEP算出
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スパッタとEBはほぼ同等のQ値
EBに使用したAlの純度がもともと悪かった可能性
Alの純度よりもフォトレジストによる損失が支配的あるという可能性
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MKIDSのノイズ限界
理想的には、準粒子のG-Rノイズ(生成消滅のPoissonノイズ)で決まる
体積を小さくする(薄くする)
準粒子の寿命を長くする
ギャップエネルギーは大きくする
温度は低くする
kT
NNEP
qp
qp
GR
exp
2
量子効率
準粒子数
準粒子寿命
36