特開 2023-61076 超伝導転移端センサ装置及び光子数識別器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023061076

(43)【公開日】2023-05-01

(54)【発明の名称】超伝導転移端センサ装置及び光子数識別器

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20230424BHJP

   H10N 60/12 20230101ALI20230424BHJP

   H10N 60/00 20230101ALI20230424BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 R

H01L39/22 D

H01L39/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021170846

(22)【出願日】2021-10-19

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、ムーンショット型研究開発事業（Ｍｏｏｎｓｈｏｔ）「誤り耐性型大規模汎用光量子コンピューターの研究開発」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100092783

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120134

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 規雄

(74)【代理人】

【識別番号】100187964

【弁理士】

【氏名又は名称】新井 剛

(72)【発明者】

【氏名】三津谷 有貴

(72)【発明者】

【氏名】高橋 浩之

【テーマコード（参考）】

2G065

4M113

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065BA01

2G065BA31

2G065BC17

4M113AC08

4M113AC24

4M113AC41

4M113CA12

4M113CA13

(57)【要約】

【課題】高い応答速度及びそれによる高い計数率を実現する簡素な構成の超伝導転移端センサ装置を提供する。
【解決手段】超伝導転移端センサ装置１は、両端にバイアス電圧が印加されるとともに外部からの熱エネルギーの入力に応じて抵抗値Ｒを変化させる超伝導転移端センサ２と、抵抗値Ｒの変化に基づく超伝導転移端センサ２のセンサ電流の変化を検出するセンサ信号アンプ回路３と、センサ電流の減少がセンサ信号アンプ回路３によって検出される毎に、センサ電流の減少に応じてバイアス電圧を低下させる動的電熱フィードバック回路４と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導転移端センサ装置（１）であって、
両端にバイアス電圧が印加されるとともに、外部からの熱エネルギーの入力に応じて抵抗値を変化させる超伝導転移端センサ（２）と、
前記抵抗値の変化に基づく前記超伝導転移端センサのセンサ電流の変化を検出するセンサ信号アンプ回路（３）と、
前記センサ電流の減少が前記センサ信号アンプ回路によって検出される毎に、前記センサ電流の減少に応じて前記バイアス電圧を低下させる動的電熱フィードバック回路（４）と、
を備える前記超伝導転移端センサ装置。

【請求項2】

前記超伝導転移端センサ（２）は、第１の電極（２１）及び第２の電極（２２）を有し、前記第１の電極に定電圧が印加されるとともに外部からの熱エネルギーの入力に応じて前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記抵抗値を変化させるように構成され、
前記センサ信号アンプ回路（３）は、前記第２の電極から流れる前記センサ電流を検出するコイル（３１）、及び前記コイルの電流の変化を反転増幅して出力するＳＱＵＩＤアンプ（３２）を含み、
前記動的電熱フィードバック回路（４）は、前記ＳＱＵＩＤアンプの出力の増加に応じて前記第２の電極の電圧を上昇させるように構成されている、請求項１に記載の超伝導転移端センサ装置。

【請求項3】

前記超伝導転移端センサ（２）は、基板（２０）、前記基板上に形成された一対の電極（２１、２２）、及び前記一対の電極の間に電気的に接続されるとともに外部からの熱エネルギーの吸熱に起因する温度を前記抵抗値に変換するＴＥＳ薄膜部（２３）を備え、
前記ＴＥＳ薄膜部は、平面視において少なくとも１つの開口（２３ｓ、２３ｈ）を有する、請求項１に記載の超伝導転移端センサ装置。

【請求項4】

前記開口はスリット（２３ｓ）であり、
前記ＴＥＳ薄膜部は、前記電極の延在方向に配列された複数のＴＥＳ薄膜領域（２３ｔ）からなり、
前記複数のＴＥＳ薄膜領域は、前記スリット（２３ｓ）を介して相互に離間されている、請求項３に記載の超伝導転移端センサ装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の超伝導転移端センサ装置と、
前記センサ信号アンプ回路の出力電圧の変化を計数するカウンタ部（５）と、
を備え、
前記超伝導転移端センサ（２）は、外部からの熱エネルギーの入力として光子が入射されるように構成されている、光子数識別器（１０）。

【請求項6】

両端にバイアス電圧が印加されるとともに、外部からの熱エネルギーの入力に応じて抵抗値を変化させる超伝導転移端センサ（２）であって、
基板（２０）と、
前記基板上に形成された一対の電極（２１、２２）と、
前記一対の電極の間に電気的に接続されるとともに外部からの熱エネルギーの吸熱に起因する温度を前記抵抗値に変換するＴＥＳ薄膜部（２３）と
を備え、
前記ＴＥＳ薄膜部は、平面視において少なくとも１つの開口（２３ｓ、２３ｈ）を有する、超伝導転移端センサ。

【請求項7】

前記開口はスリット（２３ｓ）であり、
前記ＴＥＳ薄膜部は、前記電極の延在方向に配列された複数のＴＥＳ薄膜領域（２３ｔ）からなり、
前記複数のＴＥＳ薄膜領域は、前記スリット（２３ｓ）を介して相互に離間されている、請求項６に記載の超伝導転移端センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導転移端センサ装置及びそれを用いた光子数識別器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、放射線のエネルギーを熱に変換し、それに伴う温度変化を電気信号として読み出すカロリメータを開示する。このカロリメータは、放射線のエネルギーを吸収し熱に変換する吸収体と、その吸収体の温度を計測するための温度変換器と、一定温度に保持されている熱槽との間の熱コンダクタンスを有し、吸収体の温度を制御するための抵抗体を備える。

【0003】

特許文献２は、外部からの輻射熱又は磁場による出力信号波高値の変動をサンプル測定しながら補正可能な超伝導放射線分析装置を開示する。この超伝導放射線分析装置は、放射線のエネルギーを温度変化として検出するマイクロカロリメータと、マイクロカロリメータより低抵抗のシャント抵抗と、マイクロカロリメータに定電圧を印加するバイアス電源と、マイクロカロリメータに一定の熱量を付加させるための熱付加装置と、マイクロカロリメータに流れる電流を検出する信号検出機構と、熱付加装置からの熱量付加に同期して、信号検出機構からの出力信号のうち付加した熱量に対応する波高値を測定する波高値モニタと、波高値モニタからの出力に基づいて熱付加装置からの熱量に対応するように波高値を補正するエネルギー補正装置と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４６６７６１４号公報

【特許文献2】特許第５０２６００６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えばカロリメータ（超伝導転移端センサ）を用いて熱エネルギーの入力を計数する構成では、短い入力間隔の熱エネルギーに対しても計数率を向上するために、センサ応答速度の増加が望まれる。特許文献１の構成は、計数率を向上するためにセンサの温度を制御して、センサ動作の時定数を減少させるものである。しかし、同文献の構成では、カロリメータの素子自体に追加の抵抗体及びその配線を付加した複雑な構成とする必要があるため、その製造プロセスが複雑化してしまうことや、複雑な構成を採用することが応答速度の増加の点でも好ましくないこと等の問題がある。また、特許文献２の構成は、信号検出機構の出力信号の波高値に応じて、カロリメータに加えられるエネルギーを補正するものであるため、計数率の向上に寄与することはできない。

【0006】

以上に鑑み、簡素な構成により、熱エネルギーの入力に対するセンサ応答速度を増加させ、それにより高周波数化する熱エネルギーの入力に対して計数率を向上する技術は、未だ提案されていない。

【0007】

そこで、本発明は、高い応答速度及びそれによる高い計数率を実現する簡素な構成の超伝導転移端センサ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明には以下の態様が含まれる。
〔態様１〕
超伝導転移端センサ装置（１）であって、
両端にバイアス電圧が印加されるとともに、外部からの熱エネルギーの入力に応じて抵抗値を変化させる超伝導転移端センサ（２）と、
前記抵抗値の変化に基づく前記超伝導転移端センサのセンサ電流の変化を検出するセンサ信号アンプ回路（３）と、
前記センサ電流の減少が前記センサ信号アンプ回路によって検出される毎に、前記センサ電流の減少に応じて前記バイアス電圧を低下させる動的電熱フィードバック回路（４）と、
を備える前記超伝導転移端センサ装置。
〔態様２〕
前記超伝導転移端センサ（２）は、第１の電極（２１）及び第２の電極（２２）を有し、前記第１の電極に定電圧が印加されるとともに外部からの熱エネルギーの入力に応じて前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記抵抗値を変化させるように構成され、
前記センサ信号アンプ回路（３）は、前記第２の電極から流れる前記センサ電流を検出するコイル（３１）、及び前記コイルの電流の変化を反転増幅して出力するＳＱＵＩＤアンプ（３２）を含み、
前記動的電熱フィードバック回路（４）は、前記ＳＱＵＩＤアンプの出力の増加に応じて前記第２の電極の電圧を上昇させるように構成されている、態様１に記載の超伝導転移端センサ装置。
〔態様３〕
前記超伝導転移端センサ（２）は、基板（２０）、前記基板上に形成された一対の電極（２１、２２）、及び前記一対の電極の間に電気的に接続されるとともに外部からの熱エネルギーの吸熱に起因する温度を前記抵抗値に変換するＴＥＳ薄膜部（２３）を備え、
前記ＴＥＳ薄膜部は、平面視において少なくとも１つの開口（２３ｓ、２３ｈ）を有する、態様１に記載の超伝導転移端センサ装置。
〔態様４〕
前記開口はスリット（２３ｓ）であり、
前記ＴＥＳ薄膜部は、前記電極の延在方向に配列された複数のＴＥＳ薄膜領域（２３ｔ）からなり、
前記複数のＴＥＳ薄膜領域は、前記スリット（２３ｓ）を介して相互に離間されている、態様３に記載の超伝導転移端センサ装置。
〔態様５〕
態様１～４のいずれか一項に記載の超伝導転移端センサ装置と、
前記センサ信号アンプ回路の出力電圧の変化を計数するカウンタ部（５）と、
を備え、
前記超伝導転移端センサ（２）は、外部からの熱エネルギーの入力として光子が入射されるように構成されている、光子数識別器（１０）。
〔態様６〕
両端にバイアス電圧が印加されるとともに、外部からの熱エネルギーの入力に応じて抵抗値を変化させる超伝導転移端センサ（２）であって、
基板（２０）と、
前記基板上に形成された一対の電極（２１、２２）と、
前記一対の電極の間に電気的に接続されるとともに外部からの熱エネルギーの吸熱に起因する温度を前記抵抗値に変換するＴＥＳ薄膜部（２３）と
を備え、
前記ＴＥＳ薄膜部は、平面視において少なくとも１つの開口（２３ｓ、２３ｈ）を有する、超伝導転移端センサ。
〔態様７〕
前記開口はスリット（２３ｓ）であり、
前記ＴＥＳ薄膜部は、前記電極の延在方向に配列された複数のＴＥＳ薄膜領域（２３ｔ）からなり、
前記複数のＴＥＳ薄膜領域は、前記スリット（２３ｓ）を介して相互に離間されている、態様６に記載の超伝導転移端センサ。

【発明の効果】

【0009】

本発明によると、高い応答速度及びそれによる高い計数率を実現する簡素な構成の超伝導転移端センサ装置及びそれを用いる光子数識別器が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態による超伝導転移端センサ装置を示す回路図である。

【図2】超伝導転移端センサの動作原理を説明する図である。

【図3】超伝導転移端センサ装置に関するシミュレーション結果を示す図である。

【図4】本発明の第２実施形態による超伝導転移端センサの構造を示す概略平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態に係る超伝導転移端センサ装置１の構成図を示す。超伝導転移端センサ装置１は、超伝導転移端センサ２（以下「センサ２」ともいう。）、センサ信号アンプ回路３及び動的電熱フィードバック回路４を備える。例えば、本実施形態の超伝導転移端センサ装置１は、カウンタ部５とともに、センサ２に入射する光子数を光子単位でカウントする光子数識別器１０を構成する。

【0012】

センサ２は、いわゆるカロリメータである。センサ２は電極２１及び２２を有し、電極２１は定電圧源６に接続され、電極２２はセンサ信号アンプ回路３の入力端と動的電熱フィードバック回路４の一端との間に接続される。

【0013】

センサ２は、超伝導特性を示す材料であればどのような材料を用いてもよく、また熱容量を低減するために薄膜状（厚さ：数ｎｍ～数百μｍ）にすると好ましい。センサ２の材料は、例えば、イリジウム、チタン、タングステン、ニオブ、モリブデン、カドミウム、亜鉛、アルミニウム、スズ、鉛、水銀、若しくはタリウムなどの超伝導を示す元素や、ニオブチタン合金、ニオブスズ、２ホウ化マグネシウム、又は銅酸化物高温超伝導体等であるが、これらに限定されない。また、センサ２の材料に応じて、超伝導転移端センサ装置１は、超伝導転移温度付近に冷却する冷却機構（不図示）を備えるようにしてもよい。

【0014】

電極２１と電極２２の間のセンサ部分はＴＥＳ（Transition Edge Sensor）からなり、ここでは、説明の便宜上、等価的に可変抵抗として説明する場合もある。この可変抵抗の抵抗値Ｒは、温度の上昇に対して単調的に増加する。すなわち、光子がセンサ２に入射すると、それが熱的な入力となり、抵抗値Ｒが急上昇する。したがって、センサ２の両電極間のバイアス電圧が一定であると仮定すると、光子の入射に伴う抵抗値Ｒの増加によってセンサ２に流れるセンサ電流は減少する。

【0015】

センサ信号アンプ回路３は、コイル３１、ＳＱＵＩＤ素子３２及び増幅器３３を含む。なお、ＳＱＵＩＤ素子３２及び増幅器３３をまとめて「ＳＱＵＩＤアンプ」ともいう。コイル３１は、センサ２の電極２２と定電圧源６（マイナス極）の間に接続され、すなわち、センサ２に直列接続される。ＳＱＵＩＤ素子３２は、コイル３１に電磁的に結合され、例えば、２つのジョセフソン結合を含むリングからなり、コイル３１に電流（磁場）が発生すると電流を発生させる。ＳＱＵＩＤ素子３２の両端は、増幅器３３（オペアンプ）の入力端子にそれぞれ接続される。増幅器３３は、ＳＱＵＩＤ素子３２に発生する電圧を増幅して出力する。具体的には、コイル３１の電流（センサ電流）が減少すると、増幅器３３の出力電圧は増加するように構成される（すなわち、ＳＱＵＩＤアンプ全体として反転増幅回路が構成される）。

【0016】

動的電熱フィードバック回路４は、抵抗４１、４３及びコンデンサ４２の直列回路を含み、センサ信号アンプ回路３との関係で負帰還回路を構成する。抵抗４３の一端はグランド（接地）に接続されている。この直列回路は、センサ信号アンプ回路３の出力端（増幅器３３の出力端子）と、センサ２の出力端（電極２２）及びセンサ信号アンプ回路３の入力端（コイル３１）の接続ノードとの間に接続される。なお、説明の便宜上、センサ２（電極２２）、センサ信号アンプ回路３（コイル３１）及び動的電熱フィードバック回路４の接続ノードをノードＮｆｂという。また、抵抗４３は省略してもよい。

【0017】

動的電熱フィードバック回路４は、センサ信号アンプ回路３の入力端と出力端の間に流れる帰還電流を調整する。具体的には、センサ信号アンプ回路３においてコイル３１の電流が減少すると増幅器３３の出力電圧が上昇し、動的電熱フィードバック回路４はノードＮｆｂの電圧を上昇させることになる。なお、抵抗４１及びコンデンサ４２の値は、この動的フィードバック系の応答特性などを考慮して適宜決定される。また、動的電熱フィードバック回路４は、所望の応答特性を有するインピーダンス回路であればよく、例えば、抵抗のみ、コンデンサのみ、又は抵抗とコンデンサの並列回路などであってもよい。

【0018】

カウンタ部５は、センサ信号アンプ回路３の出力端（増幅器３３の出力端子）に接続され、増幅器３３の出力の変化を検出及び計数する。カウンタ部５は、光子がセンサ２に入射してコイル３１の電流（センサ電流）が減少した際の増幅器３３の出力電圧の上昇を計数する。したがって、この計数値が、光子の入射回数又は入射個数に対応する。

【0019】

ここで、図２を参照して、センサ２の動作原理を説明する。図２は、（ａ）センサ２への光子入射直前、（ｄ）センサ２への光子入射直後、（ｃ）センサ２の放熱時及び（ｄ）センサ２の回復後について、センサ温度Ｔ（上段：温度）、センサ温度Ｔと抵抗値Ｒの関係（中段：バイアスポイント）及び経過時間ｔとセンサ電流Ｉの関係（下段：信号（電流））を示す。

【0020】

なお、本説明におけるセンサ温度Ｔ、センサ電流Ｉ及び抵抗値Ｒとは、それぞれ、センサ２を構成するＴＥＳの平均温度、平均電流及び平均抵抗値をいうものとする。各図上段に示すセンサ温度Ｔについて、濃い色ほど温度が高いことを示す。各図中段に示すセンサ温度Ｔと抵抗値Ｒの関係について、臨界温度Ｔｃの低温側の超伝導領域では抵抗値Ｒが低く、臨界温度Ｔｃの高温側の常伝導領域では抵抗値Ｒが高く、臨界温度Ｔｃ付近では抵抗値Ｒの変化が急峻となる。なお、センサ２の具体的構成については後述する。

【0021】

図２（ａ）に示すように、光子がセンサ２に入射する直前において、センサ２は定常状態（低温）にあり、抵抗値Ｒは低く、センサ電流Ｉはｉ０である。図２（ｂ）に示すように、光子がセンサ２（中央部）に入射した直後に、入射した光子のエネルギーに応じたジュール熱が発生し、これによりセンサ温度Ｔが上昇する。センサ温度Ｔの上昇に伴い、抵抗値Ｒが急峻に上昇し、センサ電流Ｉが急峻にｉ１まで減少する。図２（ｃ）に示すように、上記ジュール熱が放出により減少すると、センサ温度Ｔが低下することに伴い、抵抗値Ｒが低下し、センサ電流Ｉが増加し始める。図２（ｄ）に示すように、ジュール熱の放出が実質的に終了すると、センサ温度Ｔは図２（ａ）の定常状態に戻り、抵抗値Ｒも定常状態に戻り、センサ電流Ｉも電流ｉ０に戻る。

【0022】

ここで、動的電熱フィードバック回路４を用いずにＴＥＳにかかるバイアス電圧が一定である構成（静的電熱フィードバックという。）では、図２（ｃ）の過程は、専らＴＥＳの自然放熱の影響及び一定のバイアス電圧下での抵抗値Ｒの変化による電流減少の影響に依存する。したがって、このような静的電熱フィードバックでは、図２（ｂ）の状態から図２（ｄ）の状態に到達する時間は、動的電熱フィードバック回路４を用いた構成に比べると短縮されない。

【0023】

一方、本実施形態の超伝導転移端センサ装置１では、動的電熱フィードバック回路４によってバイアス電圧が制御可能であり、図２（ｂ）から図２（ｄ）の過程を積極的又は動的に制御することができる。具体的には、図２（ｂ）の光子入射直後に、動的電熱フィードバック回路４はその帰還動作によってノードＮｆｂの電位を上昇させ、これにより、センサ２に印加されるバイアス電圧が低下する。ＴＥＳのジュール発熱量は、バイアス電圧の二乗に比例するため、ノードＮｆｂの電位の上昇によって、センサ電流Ｉの下降値ｉ１は静的電熱フィードバック（即ち、動的電熱フィードバック回路４を用いない構成）の場合と比べて一層低下することになる。この一層低下したセンサ電流Ｉに起因して、図２（ｃ）におけるジュール熱の放出が促進される。すなわち、積極的又は動的な制御によるジュール熱の減少が、（ジュール熱の減少に伴うセンサ温度Ｔ及び抵抗値Ｒの低下による）センサ電流Ｉの増加に起因するジュール熱の増加要因に大きく阻害されることなく、定常状態への回復が進行する。したがって、図２（ｂ）の状態から図２（ｄ）の状態に到達する時間は、静的電熱フィードバックの場合と比べて短縮される。

【0024】

このように、本実施形態の超伝導転移端センサ装置１では、動的電熱フィードバック回路４を用いた動的電熱フィードバックによって、センサ２（ＴＥＳ）における応答速度が高まる。

【0025】

［シミュレーションによる検証］
ここで、本実施形態の超伝導転移端センサ装置１に係る動的電熱フィードバックの機構による応答速度の増加について、数値シミュレーションによって検証した。なお、このシミュレーションは例示であり、本実施形態の超伝導転移端センサ装置１は、このシミュレーションで用いた構成に限定されない。

【0026】

本数値シミュレーションでは、有限差分法を用いた熱電気連成計算を行った。この計算では、光検出に最適化された８μｍ角のイリジウム薄膜からなるセンサ２（ＴＥＳ）を模擬して計算を行った。８μｍ角のＴＥＳを４０×４０のメッシュに分割して計算を行った。シミュレーションの各時間ステップにおいては、まず（１）電流密度分布を計算し、その後（２）熱計算によるＴＥＳの温度変化を計算し、その後（３）物性値の更新、を行った。

【0027】

各メッシュにおいて、まず（１）の電流密度の計算を実施した。電流密度の計算のためにはＴＥＳ中の電位分布を求める必要がある。境界条件として、イリジウム薄膜の両端部（電極部）にはφ＝５μＶ及び０μＶの電位を設定した。キルヒホッフの電流則より、ＴＥＳ中のメッシュの１点（ｉ,ｊ）に流れ込む電流の総和は０となる。したがって、周囲４点（ｉ＋１，ｊ）、（ｉ－１，ｊ）、（ｉ，ｊ＋１）、（ｉ，ｊ－１）からの電流の流入量の総和が０となるため、以下の式が成り立つ。

【0028】

【数1】

【0029】

ここで、各φはそのメッシュ点での電位を表す。また、Ｒ１は点（ｉ＋１，ｊ）と（ｉ，ｊ）の平均抵抗値、Ｒ２は点（ｉ－１，ｊ）と（ｉ，ｊ）の平均抵抗値、Ｒ３は点（ｉ，ｊ＋１）と（ｉ，ｊ）の平均抵抗値、Ｒ４は点（ｉ，ｊ－１）と（ｉ，ｊ）の平均抵抗値を表す。ＴＥＳのメッシュ分割数をＮ（今回の場合はＮ＝４０×４０＝１６００）とすれば、Ｎ点について上式が成り立つため、Ｎ元の連立方程式を立式することができる。この連立方程式を反復解法によって解き、収束した値をＴＥＳの電位分布とした。電位分布が求まれば、メッシュの各点を流れる電流は、各メッシュ点の電位差を各メッシュ間の平均抵抗値で割ることによって求めることができる。すなわち、これによって電流密度分布を計算できる。

【0030】

電流密度分布計算の後、（２）熱計算による温度変化を計算した。熱計算では、ＴＥＳ内の熱伝導、ＴＥＳから熱浴であるシリコンウェハへの熱伝達、及びＴＥＳに流れるバイアス電流（センサ電流）によるジュール発熱を計算した。これは、以下のような熱方程式によって表すことができる。

【0031】

【数2】

【0032】

ここでαは熱拡散率、ＫはＴＥＳから熱浴への熱輸送パラメータ、Ｃは熱容量、Ｐはジュール発熱、ｎは熱輸送のべき乗則の指数であり本計算ではｎ＝５を用いた。を表す。この方程式を差分化し、メッシュの各点についてこの方程式を計算し、単位時間当たりの温度変化を計算した。

【0033】

上記の電流密度分布計算と熱計算の結果より、各時間ステップについてＴＥＳ内での温度分布が求められる。この温度分布を用いて（３）物性値の更新を行った。ここでは、まず、メッシュの各点においてイリジウム薄膜の超伝導転移温度を比較することによって、メッシュの各点における超伝導・常伝導の判定を行った。その結果より、メッシュの各点において各種の物性値（電気抵抗率、熱容量、熱伝導率）を更新した。

【0034】

初期状態から、各時間ステップについて（１）電流密度分布計算、（２）熱計算による温度分布計算、及び（３）物性値の更新の計算を繰り返し実施すると、ある時間ステップ後にＴＥＳが定常状態に収束した状態となる。その後、光子入射によるエネルギーをＴＥＳの中心に投入し、その後のバイアス電流の時間変化を信号値として計測した。

【0035】

従来の静的電熱フィードバックについても、上記と同様の数値シミュレーションを行った。静的電熱フィードバック及び動的電熱フィードバックについての数値シミュレーションの比較結果を図３に示す。図３において、横軸は時間、縦軸はバイアス電流（センサ電流）を示す。

【0036】

線３０１は静的電熱フィードバック（比較例）についての計算結果を示し、線３０２及び３０３は動的電熱フィードバック（本発明の例）についての計算結果を示す。線３０２（フィードバック係数＝２．０）と線３０３（フィードバック係数＝３．０）とは、異なるフィードバック係数（ＳＱＵＩＤ素子３２、抵抗４１、コンデンサ４２などのパラメータ）に対する結果である。なお、投入外部エネルギーは１．０ｅＶである。

【0037】

図３に示すように、線３０１の静的電熱フィードバックでは、エネルギー投入時（光子入射時（横軸１．０μｓのとき））にセンサ電流が１．１０μＡから約１．０６μＡまで減少し、その後１．１０μＡに戻るまでに約１．０μｓを要した。一方、線３０２の動的電熱フィードバックでは、光子入射時にセンサ電流が１．１０μＡから約１．０３μＡまで減少し、その後１．１０μＡに戻るまでに約０．４μｓしか要さなかった。すなわち、この場合の回復時間は、線３０１の場合と比べて約６０％短縮された。さらに、線３０３の動的電熱フィードバックでは、光子入射時にセンサ電流が１．１０μＡから約０．９９５μＡまで減少し、その後１．１０μＡに戻るまでに約０．３μｓしか要さなかった。すなわち、この場合の回復時間は、線３０１の場合と比べて約７０％短縮された。

【0038】

上記結果から分かるように、従来の静的電熱フィードバックでは定電圧バイアス（端部の境界条件の電位が固定）による動作が行われる。一方、本実施形態の動的電熱フィードバックの計算では、ＴＥＳの信号出力に応じた電圧変化をバイアス電極にフィードバックし、ＴＥＳのバイアス電圧を動的に変化させている。すなわち、光入力による信号が生じた際に、その信号値に応じて、急速にＴＥＳの両端にかかるバイアス電圧を動的に低下させている。その結果として、ＴＥＳに流れるバイアス電流はさらに減少し、ジュール発熱が急速に低下する。このことによって出力信号の波高値の増加と高速減衰の両方が実現される。この波高値の増加は信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）の向上に寄与し、高速減衰は応答速度及び計数率の増加に寄与する。

【0039】

以上のように、本実施形態の超伝導転移端センサ装置１は、両端にバイアス電圧が印加されるとともに外部からの熱エネルギーの入力に応じて抵抗値Ｒを変化させる超伝導転移端センサ２と、抵抗値Ｒの変化に基づく超伝導転移端センサ２のセンサ電流の変化を検出するセンサ信号アンプ回路３と、センサ電流の減少がセンサ信号アンプ回路３によって検出される毎に、センサ電流の減少に応じてバイアス電圧を瞬時的に低下させる動的電熱フィードバック回路４とを備える。

【0040】

このように、外部からの熱エネルギーの入力（本実施形態では、光子の入射）に起因してセンサ電流の減少がセンサ信号アンプ回路３によって検出される毎に、動的電熱フィードバック回路４はバイアス電圧を瞬時的に低下させる。そのため、熱エネルギーの入力直後のセンサ２からのジュール熱の放出が促進され、その放出の所要時間が短縮化される。すなわち、動的電熱フィードバック回路４をセンサ２とセンサ信号アンプ回路３の間に付加するだけで、外部からの熱エネルギーの入力に対する応答速度が向上し、それにより入力間隔（入射間隔）の短い熱エネルギーの入力に対して計数率が向上する。したがって、高い応答速度及びそれによる高い計数率を実現する簡素な構成の超伝導転移端センサ装置１が実現される。また、同時に、熱エネルギーの入力時におけるセンサ電流の低下幅が増大するので、センサ信号の信号雑音比が向上するという効果も得られる。

【0041】

ここで、超伝導転移端センサ２は、電極２１（第１の電極）及び電極２２（第２の電極）を有し、電極２１に定電圧が印加されるとともに外部からの熱エネルギーの入力に応じて電極２１と電極２２との間の抵抗値Ｒを変化させるように構成される。センサ信号アンプ回路３は、電極２２から流れるセンサ電流を検出するコイル３１及びコイル３１の電流の変化を反転増幅して出力するＳＱＵＩＤアンプ（３２、３３）を含む。動的電熱フィードバック回路４は、ＳＱＵＩＤアンプの出力の増加に応じて電極２２の電圧を瞬時的に上昇させるように構成される。このように、定電圧源６側（低インピーダンス側）の電極２１の電位ではなくセンサ２の下流側（高インピーダンス側）の電極２２の電位を変化させてバイアス電圧を制御する構成により、高い制御性及び応答性が担保される。

【0042】

また、本実施形態の光子数識別器は、超伝導転移端センサ装置１と、センサ信号アンプ回路３の出力電圧の変化を計数するカウンタ部５とを備え、超伝導転移端センサ２は、外部からの熱エネルギーの入力として光子が入射されるように構成される。これにより、上記効果を奏する光子数識別器が実現される。

【0043】

［第２実施形態］
上記第１実施形態では、動的電熱フィードバックの構成によってジュール熱の放出を高速化する構成を示したが、本実施形態ではセンサ２の構成によってもジュール熱の放出を高速化する構成を示す。なお、本実施形態において、第１実施形態の構成要素と同じ構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0044】

図４（ａ）に、第２実施形態に係る超伝導転移端センサ装置１のセンサ２の構造についての概略平面図を示す。

【0045】

センサ２は、電極２１及び２２並びにＴＥＳ薄膜部２３を備え、これらは基板２０上に形成される。基板２０は、例えば熱浴として作用するシリコンウェハである。電極２１から定電圧源６への配線及び電極２２からノードＮｆｂへの配線等は不図示である。

【0046】

ＴＥＳ薄膜部２３は、電極２１及び２２に電気的に接続され、その間で上記の抵抗値Ｒを有する。ＴＥＳ薄膜部２３の材料は、例えばイリジウム、タングステン、チタンなどの超伝導特性のある材料であるが、これに限定されない。また、ＴＥＳ薄膜部２３は、熱容量を低下させるために、厚さが数ｎｍ～数百μｍ、好ましくは数十ｎｍ～数百μｍの薄膜であることが好ましい。電極２１及び２２並びにＴＥＳ薄膜部２３は、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて形成できる。

【0047】

ＴＥＳ薄膜部２３は、複数のＴＥＳ薄膜領域２３ｔからなり、複数のＴＥＳ薄膜領域２３ｔには相互間にスリット２３ｓが介在する。本実施形態では、このように、ＴＥＳ薄膜部２３が分割及び分離されたスリット構成が採用される。スリット２３ｓは、空間（空気）であってもよいし、絶縁物質（ポリオレフィン等の合成樹脂、ガラス、又はシリコン酸化膜等）で充填されていてもよい。

【0048】

このスリット構成によると、適正化された各部サイズの下で、光子の入射可能面積の減少に起因して起こり得る受光感度の低下による不利益よりも、ＴＥＳ薄膜部２３の実質的サイズ、すなわち、熱容量の減少に起因するジュール熱放出の高速化の利益が上回る。言い換えると、同程度の面積を有するＴＥＳ薄膜に比べて、受光感度を同程度に保ちつつ、各ＴＥＳ薄膜領域２３の面積が低減されることから、ジュール熱放出の高速化が実現される。

【0049】

一例として、本実施形態では、各ＴＥＳ薄膜領域２３ｔの、電極２１及び２２の延在方向（図４紙面向かって上下方向）に沿う配列方向の長さＬは２μｍであり、隣接するＴＥＳ薄膜領域２３ｔ同士の間隔Ｇ（各スリット２３ｓの配列方向の長さ）は５００ｎｍである。したがって、開口率（＝スリット２３ｓの総面積／（ＴＥＳ薄膜領域２３ｔの総面積＋スリット２３ｓの総面積））は２０％である。なお、本実施形態では、開口率は、Ｇ／（Ｌ＋Ｇ）と定義されてもよい。本実施形態では、電極２１と電極２２の間の距離Ｄは、一例として１２μｍである。

【0050】

なお、ＴＥＳ薄膜部２３の平面形状は、図４に示したものに限られない。例えば、２つのＴＥＳ薄膜領域２３ｔ及びその間の１つのスリット２３ｓによっても、本実施形態は成立する。また、図４（ｂ）に示すように、ＴＥＳ薄膜部２３に、スリットの代わりに多数の孔２３ｈが設けられてもよい。孔２３ｈはスリット２３ｓと同様の機能を奏する。

【0051】

各孔２３ｈの形状は、例えば、円形、矩形、又は多角形などである。なお、本開示では、これらのスリット及び孔を総称して開口という。光子の入射位置に対する抵抗値Ｒの変化のばらつきを軽減するために、開口（スリット２３ｓ又は孔２３ｈ）は、ＴＥＳ薄膜部２３において均一に分布されることが好ましい。また、ＴＥＳ薄膜部２３と電極２１及び２２との接触面積を増加させて電極２１及び２２を介した放熱を増加させるために、ＴＥＳ薄膜部２３と電極２１及び２２との重なり領域においては、開口は設けられなくてもよい。

【0052】

なお、光子の受光可能面積の確保の観点から、平面視において、ＴＥＳ薄膜部２３の開口率は３０％以下、２５％以下、又は２０％以下であることが好ましい。また、ジュール熱の解放の高速性の確保の観点から、平面視において、ＴＥＳ薄膜部２３の開口率は１％以上、５％以上、１０％以上、又は１５％以上であることが好ましい。すなわち、ＴＥＳ薄膜部２３の開口率は１～３０％、１～２５％、１～２０％、５～３０％、５～２５％、５～２０％、１０～３０％、１０～２５％、１０～２０％、１５～３０％、１５～２５％、又は１５～２０％であることが好ましい。これにより、光子の受光可能面積の確保とジュール熱の解放の高速性の確保とが両立され得る。

【0053】

以上のように、本実施形態の超伝導転移端センサ装置１では、超伝導転移端センサ２が、基板２０、基板２０上に形成された一対の電極２１及び２２、及び電極２１と電極２２の間に電気的に接続されるとともに外部からの熱エネルギーの吸熱に起因する温度を抵抗値Ｒに変換するＴＥＳ薄膜部２３を備え、ＴＥＳ薄膜部２３は、平面視において少なくとも１つの開口を有する。これにより、ＴＥＳ薄膜部２３の熱容量を減少させ、光子入射後のジュール熱の解放の高速化が可能となる。すなわち、超伝導転移端センサ装置１において、高い応答速度及びそれによる高い計数率が実現される。

【0054】

ここで、ＴＥＳ薄膜部２３は電極２１及び２２の延在方向に配列された複数のＴＥＳ薄膜領域２３ｔを含み、複数のＴＥＳ薄膜領域２３ｔはスリット２３ｓを介して相互に離間されて上記少なくとも１つの開口を形成することが好ましい。これにより、簡素なプロセスでＴＥＳ薄膜部２３を作製できる。

【0055】

［その他の実施形態］
以上に本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は、例えば以下に示すように種々の形態に変形可能である。

【0056】

例えば、上記各実施形態では、超伝導転移端センサ装置１が光子数識別器に使用される例を示したが、その用途は限定されず、超伝導Ｘ線検出器又は超伝導γ線検出器などにも適用可能である。また、本発明の超伝導転移端センサ装置１及び光子数識別器は、広く量子技術において利用され、例えば、量子コンピュータに適用さ得る。また、本発明の超伝導転移端センサ装置１及び光子数識別器は、量子単位の誤りを修復しながら計算を実行することができる誤り耐性型量子コンピュータに適用可能である。すなわち、本発明の光子数識別器は、光の連続量量子情報処理に基づく光量子コンピューティングに好適に適用可能である。

【0057】

また、上記各実施形態では、センサ２に印加されるバイアス電圧を光子入射時に低下させるために、動的電熱フィードバック回路４がノードＮｆｂの電圧を上昇させる構成を示した。これは、フィードバック制御の応答速度、部品点数（コスト）などを考慮して最も好適なものである。ただし、他の構成によって、光子入射時にバイアス電圧を低下させることも可能である。例えば、ノードＮｆｂと定電圧源６の間にトランジスタなどのスイッチ素子と抵抗の直列回路を設け、光子入射時（センサ信号アンプ回路３の信号上昇時）にそのスイッチ素子をオンすることにより、電極２１及び２２を定電圧源６と実質的に同電位とする構成も可能である。

【符号の説明】

【0058】

１ 超伝導転移端センサ装置
２ 超伝導転移端センサ
３ センサ信号アンプ回路
４ 動的電熱フィードバック回路
５ カウンタ部
６ 定電圧源
１０ 光子数識別器
２０ 基板
２１ 電極（第１の電極）
２２ 電極（第２の電極）
２３ ＴＥＳ薄膜部
２３ｔ ＴＥＳ薄膜領域
２３ｓ スリット（開口）
２３ｈ 孔（開口）
３１ コイル
３２ ＳＱＵＩＤ素子（ＳＱＵＩＤアンプ）
３３ 増幅器（ＳＱＵＩＤアンプ）
４１、４３ 抵抗
４２ コンデンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】