オンチップテラヘルツポンププローブ分光系の開発と超伝導体への応用~超高速電流により量子物質制御を実現する新たな手法~

2025-09-09 東京大学

東京大学の研究チームは、チップ上導波路を利用してピコ秒(1兆分の1秒)スケールの電磁応答を測定できるオンチップテラヘルツポンププローブ分光法を開発した。これは、テラヘルツ波を導波路内に閉じ込めて試料に作用させ、独立制御可能な2つのピコ秒パルス(ポンプ・プローブ)で超高速ダイナミクスを観測する手法である。応用として超伝導ニオブ細線を極低温下で測定し、電流パルス注入に伴う超伝導–常伝導転移の超高速ダイナミクスを初めて観測した。その結果、直流での臨界電流の約10倍の電流密度までは超伝導状態が保持されることが判明。これは時間依存ギンツブルグ=ランダウ方程式で説明可能で、超伝導体の高速エレクトロニクス応用に重要な基礎知見を与える。開発手法は今後、他の量子物質にも展開でき、超高速非線形エレクトロニクスや量子物質制御に新たな実験基盤を提供する。成果は2025年9月9日付「Nano Letters」に掲載。

オンチップテラヘルツポンププローブ分光系の開発と超伝導体への応用~超高速電流により量子物質制御を実現する新たな手法~
オンチップテラヘルツポンププローブ分光法のイメージ

<関連情報>

オンチップテラヘルツ分光による超伝導Nb細線における電流誘起超伝導破壊の超高速ダイナミクスの観測 On-Chip Terahertz Pump–Probe Spectroscopy Revealing Ultrafast Current-Induced Breakdown Dynamics in a Superconducting Nb Microstrip

Daichi Yoshioka,Fumiya Sekiguchi,Naotaka Yoshikawa,and Ryo Shimano
Nano Letters  Published: September 8, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02987

Abstract

On-chip terahertz (THz) spectroscopy has attracted growing attention because of its capability of measuring samples far smaller than the Rayleigh diffraction limit. The technique also allows the investigation of nonlinear responses of materials, which is indispensable for the development of ultrafast devices operating with a THz bandwidth. Here, we report the development of an on-chip THz-pump THz-probe spectroscopy technique that enables the study of ultrafast electrical-pulse-induced nonequilibrium phenomena. Using this setup, we observed ultrafast dynamics of the current-induced superconducting-to-normal state transition in a Nb microstrip. The current density of the picosecond pulse required to destroy the superconducting state far exceeds that of the direct-current supercurrent. The results, including the nonequilibrium dynamics of the superconducting order parameter, were explained by the time-dependent Ginzburg–Landau theory. The developed on-chip THz-pump THz-probe spectroscopy system offers a new platform for the characterization and manipulation of quantum materials integrated into electrical circuits with an ultrafast time resolution.

1700応用理学一般
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました