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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

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

3

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

MKIDSの構造・動作

5

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

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

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

ＭＫＩＤＳの 動作原理

10

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

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

11

MKIDSの作製

12

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

製作の様子＠ＫＥＫ

14

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

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

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

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

BACK UP

23

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

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？

30

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

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

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

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