窒化ニオブチタンを用いたHEBミクサー開発によるテラヘルツ帯天体観測の開拓

点击翻译按钮获取中文摘要

NbTiN薄膜を超伝導物質として用いたテラヘルツ帯ホットエレクトロン・ボロメータ(HEB)ミクサの開発を進めた。昨年度、0.8THz帯において受信機雑音温度500Kを得ることができたことを踏まえ、その特性の理解を進めた。製作したHEBミクサのNbTiN薄膜の厚みが12nmと比較的厚いにも拘わらず良い性能が得られていることに着目し、その原因として、格子冷却(フォノンを介して基板に熱電子のエネルギーを逃がす)機構とともに、拡散冷却(熱電子をAu電極に逃がす)機構が協奏して働いている可能性を指摘した。これは、ミクサの製作過程において、NbTiN薄膜とAu電極を同時製膜している関係で、両者の間に酸化膜の形成が起こらず、良好な電気接触を実現しているためと見られる。HEBミクサのブリッジ長(電極間隔)を長く取ると性能が劣化することは、この考えを支持する。このように格子冷却と拡散冷却を併用する新しい冷却方式(複合冷却)を提案した。一方、1.5THz帯でのヘテロダイン実験に成功した。まず、導波管マウントにNbTiN HEBミクサ素子を装着し、テラヘルツ帯での応答特性を国立天文台先端技術センターの松尾氏の協力を得てフーリエ変換分光器で測定した。その結果、石英基板厚を20μm程度にする必要があることがわかった。そのような素子で、ヘテロダイン実験を行ったところ、1.5THzで受信機雑音温度1700Kを実現した。これは導波管型のHEBミクサとしては世界水準の結果である。導波管マウントそのものに製作上の欠陥があること、実験に用いた素子の特性が最良のものではないこと、などを考えると、今後一層の低雑音化が見込まれる。これにより、テラヘルツ帯における天体観測に駒を進めることができるようになった。