JP2009152175A

JP2009152175A - 超伝導体並びに超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法及びその測定装置

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Publication number: JP2009152175A
Application number: JP2008232617A
Authority: JP
Inventors: Isamu Son; 勇孫
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: JP5574520B2

Abstract

【課題】表面超伝導を用いた超伝導体、弾性表面波に伴って発生する交流電界を用いた高精度で容易かつ安価な超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法及びその測定装置を提供する。
【解決手段】両側に入、出力電極対１１、１２をそれぞれ備えた平板状の圧電体１３に隙間４８を設けて超伝導体１４を配置し、入力電極対１１に印加した入力電圧により発生した弾性表面波を出力電極対１２に向けて移動させながら弾性表面波に伴う交流電界を超伝導体１４に印加して、出力電極対１２で検出した出力電圧値と入力電圧中の弾性表面波の周波数に対応する入力電圧成分値との比の値から求める超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法であって、入力電圧をパルス電圧とし、出力電圧値及び入力電圧成分値を出力電極対１２で測定された出力電圧及び入力電圧の各高速フーリエ変換から求め、弾性表面波の周波数を交流電界が超伝導体１４の表面で反射され内部に侵入しない範囲に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超伝導体（超電導体ともいう）並びに弾性表面波に伴って発生する交流電界を用いた超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法及びその測定装置に関する。

超伝導体は電気抵抗をゼロにすることや磁気浮上できることから、超伝導体を利用することで電力の無駄な損失の解消、機械的摩擦の除去が実現でき、超伝導体の応用範囲は全ての工業分野で広がり続けている。そして、超伝導体の応用を更に開拓するために、超伝導体の転移温度（常伝導状態から超伝導状態に転移する温度）をより上昇させる努力が行われている。ここで、超伝導体の温度特性、すなわち、転移温度と抵抗率の温度依存性を測定する場合、測定しようとする超伝導体毎に電極を付けて測定を行うことが多く、測定コストが上昇するという問題を有している。一方、超伝導体が絶縁体（誘電体）、ガス、及び真空のいずれか１と接した場合、超伝導体表層に転移温度が高い表面超伝導層が形成されることが理論的に予言されている。また、超伝導体の薄膜は、シャープな周波数特性を有し、かつ低損失なマイクロ波帯のフィルターとしての利用が期待されている。しかし、フィルター特性を決定付ける表面抵抗を精度よく測定する方法は未だ確立されていない（例えば、非特許文献１参照）。

スーパーコンダクティビティーコミニケーションズ（ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ），Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．６，Ｄｅｃ．２０００．［平成１９年１１月２１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｓｅｍｒｌ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｓｕｐｅｒｃｍ／４８／４８−６．ｈｔｍｌ＞

酸化物超伝導体の出現により、従来の超伝導体に比較して転移温度の大幅な高温化が実現したが、転移温度の上限は１３５Ｋ程度の温度に留まっており、実用化の妨げになっている。そこで、転移温度の高い表面超伝導の応用が期待されている。一方、超伝導体に電極を付けずに超伝導体の温度特性を測定する方法、超伝導体の極表面層の抵抗を精度よく測定する方法、超伝導体の薄膜の表面抵抗を精度よく測定する方法として、例えば、マイクロ波を用いた非接触法による測定方法が提案されている。しかし、マイクロ波を発生させる装置は構成が複雑になると共に装置コストが高くなるため、測定装置の大型化及び測定コストの増大という問題が生じる。また、超伝導体の薄膜の表面抵抗を、マイクロ波を用いて測定する場合、例えば、共振のＱ値を安定して測定すること、アンテナの設置位置の影響、マイクロ波の反射の影響等の新たな問題が発生する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、表面超伝導を利用した超伝導体並びに弾性表面波に伴って発生する交流電界を用いた、高精度で容易かつ安価な超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法及びその測定装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る超伝導体は、誘電体薄膜の表面上に超伝導体薄膜（平板状の超伝導体の一例、以下同じ）が形成されたシートが複数積層されて積層体となっている。

前記目的に沿う第２の発明に係る超伝導体は、誘電体薄膜と該誘電体薄膜の表面上に設けた超伝導体薄膜を有する積層膜が巻かれて（断面渦巻き状に巻かれて）又はジグザグ状に折り畳まれて長尺となっている。

前記目的に沿う第３の発明に係る超伝導体は、軸方向に沿って直線状に又はらせん状に溝部を備えた誘電体棒の表面に超伝導体薄膜が形成されて棒状となっている。

前記目的に沿う第４の発明に係る超伝導体は、誘電体の管内に超伝導体微細粒子が充填されて長尺となっている。

前記目的に沿う第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法は、両側にそれぞれ入力電極対及び出力電極対を備え水平に配置された平板状の圧電体の表面で該入力電極対及び該出力電極対の間の領域に対して隙間を設けて一定温度に保持した平板状の超伝導体を平行に配置し、前記入力電極対に印加した入力電圧により発生した弾性表面波を前記出力電極対に向けて移動させながら該弾性表面波に伴う交流電界を前記圧電体に対向する前記超伝導体の表面側から印加して、前記出力電極対で検出した前記弾性表面波による出力電圧値と前記入力電圧中の前記弾性表面波の周波数に対応する入力電圧成分値との比の値を求めて前記超伝導体の表面抵抗率を測定する。

第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法において、前記入力電圧をパルス電圧とし、前記出力電圧値及び前記入力電圧成分値を前記出力電極対で測定された出力電圧及び前記入力電圧のそれぞれの高速フーリエ変換から求め、前記弾性表面波の周波数を前記交流電界が前記超伝導体の表面で反射されて内部に侵入しない範囲の値に設定することが好ましい。

第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法において、前記圧電体の表面と前記超伝導体との間に設けられる前記隙間は、前記弾性表面波の波長の１／２以下であることが好ましい。

第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法において、前記圧電体の表面と前記超伝導体との間に設けられる前記隙間の厚みを、前記弾性表面波の１波長以下の範囲で変化させることができる。

前記目的に沿う第６の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置は、両側にそれぞれ入力電極対及び出力電極対が設けられて水平に配置された平板状の圧電体を備え、前記入力電極対に印加した入力電圧により発生した弾性表面波を前記出力電極対に向けて移動させながら、前記圧電体の表面で該入力電極対及び該出力電極対の間の領域に対して隙間を設けて平行に配置した平板状の超伝導体の該圧電体に対向する表面側に該弾性表面波に伴って生じ該超伝導体の表面で反射されて内部に侵入しない周波数を有する交流電界を印加する弾性表面波発生手段を有している。

第６の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置において、前記弾性表面波発生手段の前記圧電体に設けられた前記入力電極対に入力電圧を印加する高周波パルス発生手段と、前記弾性表面波発生手段の前記出力電極対で測定された出力電圧及び前記入力電極対に印加された前記入力電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して出力電圧値及び該入力電圧中の該弾性表面波の周波数に対応する入力電圧成分値をそれぞれ求め、該出力電圧値及び該入力電圧成分値との比の値から前記超伝導体の表面抵抗率を算出する信号処理手段と、前記超伝導体及び前記弾性表面波発生手段を収納する測定容器と、前記測定容器内の前記超伝導体を冷却する冷却機を備えて該超伝導体の温度を制御する温度制御手段とを有することが好ましい。

第１の発明に係る超伝導体では、誘電体薄膜の表面上に超伝導体薄膜が形成されたシートが複数積層されて積層体となっているので、積層体の各超伝導体薄膜の上、下表層に表面超伝導層を形成することができ、積層体中に占める表面超伝導層の割合を高くできると共に、高温で超伝導状態を発現させることができる。

第２の発明に係る超伝導体では、誘電体薄膜と該誘電体薄膜の表面上に設けた超伝導体薄膜を有する積層膜が巻かれて又はジグザグ状に折り畳まれて長尺となっているので、超伝導体薄膜の上、下表層に表面超伝導層を形成することができ、長尺の超伝導体中に占める表面超伝導層の割合を高くできると共に、高温で超伝導状態を発現させることができる。

第３の発明に係る超伝導体では、軸方向に沿って直線状に又はらせん状に溝部を備えた誘電体棒の表面に超伝導体薄膜が形成されて棒状となっているので、超伝導体薄膜の内、外表層に表面超伝導層を形成することができ、長尺の超伝導体中に占める表面超伝導層の割合を高くできると共に、高温で超伝導状態を発現させることができる。

第４の発明に係る超伝導体では、誘電体の管内に超伝導体微細粒子が充填されて長尺となっているので、超伝導体微細粒子の表層に表面超伝導層を形成することができ、長尺の超伝導体中に占める表面超伝導層の割合を高くできると共に、高温で超伝導状態を発現させることができる。

第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法及び第６の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置においては、交流電界は超伝導体の表面で反射されて内部に侵入しないので、出力電極対に発生する出力電圧値と入力電圧中の弾性表面波の周波数に対応する入力電圧成分値との比の値の変化から、超伝導体に印加された交流電界と超伝導体の極表層部に存在する荷電粒子又は準粒子の相互作用による交流電界の吸収の有無が判定でき、超伝導体の極表層部の抵抗率（超伝導体表面抵抗率）を容易に測定することが可能になる。そして、超伝導体の温度を変化させながら超伝導体表面抵抗率を測定することで、超伝導体表面抵抗率の温度特性を求めることができる。

第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法及び第６の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置においては、入力電圧をパルス電圧とし、入力電極対及び出力電極対をそれぞれ形成する電極間の距離を調整することで、超伝導体の表面で反射されて内部に侵入しない周波数の交流電界を伴う弾性表面波を容易に発生させることができると共に、高速フーリエ変換により出力電圧値と入力電圧成分値が容易に求まるので、簡単な構成で測定装置を作製でき、装置コストの低減、装置の小型化、及び測定コストの低減が可能になる。

第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法においては、圧電体の表面と超伝導体との間の隙間を弾性表面波の波長の１／２以下とすることで、弾性表面波の超伝導体内への侵入を防止して、弾性表面波に伴って発生する交流電界のみを有効に超伝導体に印加することができる。

第５の発明に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法においては、圧電体の表面と超伝導体との間に設けられる隙間の厚みを、弾性表面波の１波長以下（例えば、１００μｍ以下）の範囲で変化させる場合、交流電界の超伝導体内への侵入距離を調整でき、超伝導体の表面からの深さ方向に対する抵抗率の変化を測定できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置の説明図、（Ｂ）は非接触測定装置の信号処理手段のブロック図、図２（Ａ）は同超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置の弾性表面波発生手段の動作説明図、（Ｂ）は弾性表面波発生手段の入力電極対の平面図、図３（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法の説明図、図４（Ａ）、（Ｂ）は同超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法における抵抗率の測定方法の説明図、図５は本発明の第１の実施の形態に係る超伝導体の説明図、図６は本発明の第２の実施の形態に係る超伝導体の説明図、図７は本発明の第３の実施の形態に係る超伝導体の説明図、図８は本発明の第４の実施の形態に係る超伝導体の説明図である。

図１（Ａ）、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置１０は、両側にそれぞれ入力電極対１１及び出力電極対１２が設けられて水平に配置された平板状の圧電体１３（例えば、ＬｉＮｂＯ_３板）を備え、入力電極対１１に印加した入力電圧により発生した弾性表面波を出力電極対１２に向けて移動させながら、圧電体１３の表面で入力電極対１１及び出力電極対１２の間の領域に対して隙間４８（図３参照）を設けて平行に配置した平板状の超伝導体の一例であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の圧電体１３に対向する表面側に弾性表面波に伴って生じＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面で反射されて内部に侵入しない周波数を有する交流電界を印加する弾性表面波発生手段１５を有している。ここで、入力電極対１１と出力電極対１２を結ぶ方向を圧電体１３の長手方向、長手方向に直交する方向を圧電体１３の幅方向として、圧電体１３の幅は８〜１５ｍｍ、長手方向の長さは２５〜３５ｍｍ、厚さは０．３〜０．８ｍｍである。また、圧電体１３に隙間４８を設けて平行に配置するＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４において、圧電体１３の長手方向と平行な方向をＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の長手方向、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の長手方向に直交する方向をＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の幅方向として、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の幅は８〜１５ｍｍ、長さは８〜１５ｍｍ、厚さは０．３〜１μｍである。

更に、非接触測定装置１０は、弾性表面波発生手段１５の圧電体１３に設けられた入力電極対１１に入力電圧を印加する高周波パルス発生手段の一例である高周波パルス電源１６と、弾性表面波発生手段１５の出力電極対１２で測定された出力電圧及び入力電極対１１に印加された入力電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して出力電圧値及び入力電圧中の弾性表面波の周波数に対応する入力電圧成分値をそれぞれ求め、出力電圧値及び入力電圧成分値との比の値からＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面抵抗率を算出する信号処理手段１７と、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４及び弾性表面波発生手段１５を収納する測定容器１８と、測定容器１８内のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４を冷却する冷却機１９を備えてＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の温度を制御する温度制御手段２０とを有している。以下詳細に説明する。

入力電極対１１は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電体１３表面上の一方側において互いに噛み合うように対向して形成された第１、第２の櫛形電極２１、２２を有している。そして、第１、第２の櫛形電極２１、２２は、Ｗの距離を設けて対向して平行に配置され、幅が１〜２ｍｍの電極基部２３、２４をそれぞれ有している。また、第１の櫛形電極２１には電極基部２３から電極基部２４側に直角に突出する２組の第１の電極歯状部２５、２６が距離２Ｌｐ離れて平行に設けられ、第２の櫛形電極２２には第１の櫛形電極２１に設けられた第１の電極歯状部２５、２６間の中央部に電極基部２４から直角に突出するように１組の第２の電極歯状部２７が設けられている。

ここで、第１の電極歯状部２５、２６は、幅が５〜１０μｍ、長さが距離Ｗの９０〜９５％で、５〜１０μｍの間隔を有して平行に配置され基側が電極基部２３に接続する電極素線部２６ａを備え、第２の電極歯状部２７は、幅が５〜１０μｍ、長さが距離Ｗの９０〜９５％で、５〜１０μｍの間隔を有して平行に配置され基側が電極基部２４に接続する電極素線部２７ａを備えている。そして、第１、第２の櫛形電極２１、２２の電極基部２３、２４は、第１、第２のリード線２８、２９を介して高周波パルス電源１６の出力部３０に接続されている。なお、電極基部２３、２４間の距離Ｗは、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の幅に応じて設定し、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の幅をＭとした場合、例えば、Ｍの０．５〜０．８倍である。

なお、出力電極対１２は、入力電極対１１と同様の構成となって、互いに噛み合うように対向して圧電体１３表面上の他方側において形成された第１、第２の櫛形電極３１、３２を有し、第１、第２の櫛形電極３１、３２は、Ｗの距離を設けて対向して平行に配置され、幅が１〜２ｍｍの電極基部３３、３４をそれぞれ有している。そして、電極基部３３、３４は、第１、第２のリード線３５、３６を介して信号処理手段１７の信号入力部３７に接続されている。

以上の構成とすることで、圧電体１３を伝わる表面波の速度をｖ_０とした場合、ｖ_０／２Ｌｐの周波数の入力電圧を入力電極対１１に印加した場合、圧電体１３は最も強力に励振されｖ_０／２Ｌｐの周波数の弾性表面波が効率的に発生する。そして、この弾性表面波に伴って、ｖ_０／２Ｌｐの周波数の交流電界が発生する。このため、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面で反射されて内部に侵入しない周波数が５００ｋＨｚ〜５００ＭＨｚ、例えば、５０ＭＨｚの周波数を有する交流電界が発生するように２Ｌｐを決定する。一方、出力電極対１２では、到達した弾性表面波の中でｖ_０／２Ｌｐの周波数を有する弾性表面波が最も感度よく受信される。

図１（Ｂ）に示すように、信号処理手段１７は、信号入力部３７に加わる出力電圧を測定する出力電圧測定部３８と、高周波パルス電源１６から入力電極対１１に印加されたパルス電圧（入力電圧）を測定する入力電圧測定部３９と、測定された出力電圧及び入力電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して出力電圧値及び入力電圧中の弾性表面波の周波数（５０ＭＨｚ）に対応する入力電圧成分値をそれぞれ求める第１の信号処理部４０と、得られた出力電圧値及び入力電圧成分値の比の値からＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の抵抗率を算出する第２の信号処理部４１とを有している。更に、信号処理手段１７は、出力電圧及び入力電圧の測定結果、第１、第２の信号処理部４０、４１の処理結果を表示する表示部４２を有している。

測定容器１８は、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４及び弾性表面波発生手段１５を収納する密閉容器で、測定時に内部を真空状態に保つ真空ポンプ４３が接続されている。また、温度制御手段２０は、測定容器１８内に設けられＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４を載置してＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４を冷却するヒータを備えた試料ステージ４４と、試料ステージ４４に冷却媒（例えば、液体窒素、液体水素、液体ヘリウム）を供給する冷却機１９と、ヒータに供給する電圧を調整してＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の温度を制御する温度制御機４５とを有している。

続いて、本発明の一実施の形態に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法について説明する。
図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４は、例えば、酸化マグネシウムの基板４６上に形成されており、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４は基板４６を介して測定容器１８内に設けられた試料ステージ４４に載置する。

次いで、圧電体１３に対して隙間４８を設けてＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４が配置された際にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の幅方向となる方向の中央部にその長手方向に沿って幅が距離Ｗの６０〜８０％の露出部が形成されるようにＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の幅方向の両側に絶縁膜４７（例えば、４フッ化エチレン樹脂製の膜）を配置し、圧電体１３で入、出力電極対１１、１２が形成されている面側を絶縁体４７に密着させる。これにより、圧電体１３の表面で入力電極対１１及び出力電極対１２の間の領域に対して隙間４８を設けてＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４を配置することができる。ここで、絶縁膜４７の厚みＴ、すなわち隙間４８の距離は、弾性表面波の波長の１／２以下であり、周波数が５０ＭＨｚの弾性表面波の場合、５〜１０μｍ、例えば５μｍである。

ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の配置が終了すると、測定容器１８を密閉して真空ポンプ４３で測定容器１８内を真空にする。そして、冷却機１９から試料ステージ４５に冷却媒を供給し温度制御機４５でヒータに供給する電力を調整してＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の温度を測定温度に保持する。次いで、高周波パルス電源１６から入力電極対１１に入力電圧を印加すると、圧電体１３は励振しｖ_０／２Ｌｐ（例えば、５０ＭＨｚ）の周波数の弾性表面波が発生して周囲に広がり、その一部は出力電極対１２に向けて移動する。このとき、弾性表面波に伴って、ｖ_０／２Ｌｐの周波数の交流電界が発生する。ここで、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４は、圧電体１３の表面で入力電極対１１及び出力電極対１２の間の領域に対して隙間４８を設けて配置されているので、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４には弾性表面波は伝達せず、入力電極対１１から出力電極対１２に向けて移動する弾性表面波に伴う交流電界のみが圧電体１３に対向するＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面側に印加される。

ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４に印加される交流電界の周波数は、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面で反射されて内部に侵入しないので、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４に印加された交流電界はＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の極表層部に存在する荷電粒子又は準粒子との間で相互作用を起こし、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４が超伝導状態に転移していない場合（表面抵抗が大きな場合）は交流電界の吸収が生じて交流電界の強度が低下し、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４が超伝導状態に転移している場合は交流電界の吸収が発生せず交流電界の強度は低下しない。そして、弾性表面波の強度が大きいと弾性表面波に伴って発生している交流電界の強度も大きいので、入力電極対１１で発生してＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４に沿って出力電極対１２に到達した弾性表面波の大きさを測定し、入力電極対１１で発生した弾性表面波の大きさと比較することで、交流電界がＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４により吸収されたか否か、すなわち、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４が超伝導状態に転移しているか否か（表面抵抗率が存在するか否か）が判定できる。

図４（Ａ）に示すように、入力電極対１１に印加される入力電圧はパルス電圧なので、入力電圧を高速フーリエ変換（ＦＦＴ変換）することにより、入力電圧を構成する交流電圧の周波数と対応する入力電圧成分値が判る。一方、出力電極対１２で測定される出力電圧は、発生した弾性表面波の周波数がｖ_０／２Ｌｐ（図４では５０ＭＨｚ）なので、図４（Ｂ）に示すように、ＦＦＴ変換することにより周波数ｖ_０／２Ｌｐの出力電圧値が判る。

従って、入力電圧を構成する交流電圧の周波数と入力電圧成分値の関係から弾性表面波の周波数ｖ_０／２Ｌｐに対応する入力電圧成分値Ｖ_ＩＮを求め、出力電圧値Ｖ_ＯＵＴと周波数ｖ_０／２Ｌｐに対応する入力電圧成分値Ｖ_ＩＮとの比の値Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮを求めると、Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮの値はＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の極表層部で交流電界が吸収された割合と関係し、Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮの値に基づいて、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面抵抗率が得られる。なお、パルス電圧は、入力電極対１１に周期的に（例えば、１０^-４〜１０^-３秒、例えば、１０^-５秒間隔で）印加するので、複数個のパルス電圧の印加毎に得られるＶ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮからＶ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮの平均値を求め、その平均値からＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面抵抗率を求める。そして、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の温度を変えながらＶ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮの平均値を求めることで、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜１４の表面抵抗率の温度特性が求まる。

図５に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る超伝導体５０は、誘電体薄膜の一例である４フッ化エチレン樹脂膜５１（例えば、厚みが１〜５０μｍ）の表面上に超伝導体薄膜の一例であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５２（例えば、厚みが１〜１０μｍ）が形成されたシート５３が複数積層されて、例えば、厚みが０．１〜１ｍｍの積層体となっている。なお、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５２は、４フッ化エチレン樹脂膜５１の表面上に、例えば、スパッタリングにより形成される。ここで、超伝導体５０では、各ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５２の上下に４フッ化エチレン樹脂膜５１が配置されているので、超伝導体５０を冷却すると、バルク状態のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７が超伝導状態になる転移温度よりも高温で、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５２の上下表層に表面超伝導層が形成される。従って、超伝導体５０を誘電体の一例である４フッ化エチレン樹脂のケース５４内に収納し、超伝導体５０の両端面に各ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５２の端面を連結する電極５５、５６を設けると、超伝導体５０を用いて電流を効率的に流すことができる。そして、各ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５２の上、下表層に表面超伝導層が形成されるため、超伝導体５０に流れる電流は各表面超伝導層に分配されることになり、大電流を超伝導体５０を介して効率的に流すことができる。

図６に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る超伝導体５７は、誘電体薄膜の一例である４フッ化エチレン樹脂膜５８（例えば、厚みが１〜５０μｍ）と４フッ化エチレン樹脂膜５８の表面上に設けた超伝導体薄膜の一例であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５９（例えば、厚みが１〜１０μｍ）を有する積層膜６０が断面渦巻き状に巻かれて長尺の棒状又は線状となっている。ここで、棒状とは、直線状となって折り曲げや巻回が容易にできない形状をいい、線状とは、折り曲げや巻回が容易にできる形状をいう。なお、４フッ化エチレン樹脂膜５８の表面上へのＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５２の形成は、例えば、スパッタリングにより行う。また、超伝導体５７は、積層膜６０を断面が円形になるように巻いたが、断面正方形、断面長方形、断面長円形（楕円）等任意の形状となるように巻くこともできる。

そして、超伝導体５７では、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５９の上下には４フッ化エチレン樹脂膜５８が配置されているので、超伝導体５７を冷却すると、バルク状態のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７が超伝導状態になる転移温度よりも高温で、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５９の上下表層に表面超伝導層が形成される。従って、超伝導体５７を誘電体の一例である４フッ化エチレン樹脂のケース６１内に収納し、超伝導体５７の両端面にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５９の端面と連結する電極６２、６３を設けると、超伝導体５７を用いて電流を効率的に流すことができる。そして、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５９は巻かれているため、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜５９の上、下表層に形成される表面超伝導層の断面積を大きくすることができる。その結果、超伝導体５７に流す電流を各表面超伝導層に分配することができ、大電流を超伝導体５７を介して効率的に流すことができる。

図７に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る超伝導体６４は、軸方向に沿った直線状の溝部６５（例えば、幅が０．０５〜０．８ｍｍ、深さが０．０５〜０．５ｍｍ）が周方向に複数形成された誘電体棒の一例である４フッ化エチレン樹脂棒６６（例えば、直径が０．５〜３ｍｍ）の表面に超伝導体薄膜の一例であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７（例えば、厚みが１〜１０μｍ）が形成されて棒状となっている。なお、４フッ化エチレン樹脂棒６６の表面上へのＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７の形成は、例えば、スパッタリングにより行う。また、溝部は、４フッ化エチレン樹脂棒６６にらせん状に形成してもよい。更に、表面にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７が形成された４フッ化エチレン樹脂棒６６を複数本束ねて４フッ化エチレン樹脂のケースに収納することもできる。

ここで、超伝導体６４では、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７の内表面は４フッ化エチレン樹脂棒６６と接し、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７の外表面は空気と接触しているので、超伝導体６４を冷却すると、バルク状態のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７が超伝導状態になる転移温度よりも高温で、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７の内外表層に表面超伝導層が形成される。従って、超伝導体６４を誘電体の一例である４フッ化エチレン樹脂のケース６８内に収納し、超伝導体６４の両端面にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７の端面と連結する電極６９、７０を設けると、超伝導体６４を用いて電流を効率的に流すことができる。そして、４フッ化エチレン樹脂棒６６の側面には軸方向に沿って溝部６５が形成されているため、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜６７の内、外表層に形成される表面超伝導層の断面積を大きくすることができる。その結果、超伝導体６４に流す電流を各表面超伝導層に分配することができ、大電流を超伝導体６４を介して効率的に流すことができる。

図８に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る超伝導体７１は、誘電体の一例である４フッ化エチレン樹脂の管７２（例えば、内径が１〜３ｍｍ）内に超伝導体微細粒子の一例であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７微細粒子７３（例えば、粒径が０．１ｍ以下）が充填され、管７２の両端が導電性部材７４、７５で封じられて長尺の棒状又は線状となっている。なお、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７微細粒子７３が充填された管７２内は、真空又は不活性ガス（例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、又は窒素ガス）雰囲気に保たれている。このため、超伝導体７１を冷却すると、バルク状態のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７が超伝導状態になる転移温度よりも高温で、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７微細粒子７３の表層に表面超伝導層が形成される。そして、超伝導体７１では、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７微細粒子７３が互いに接触すると共に、管７２の両端部に存在するＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７微細粒子７３は導電性部材７４、７５の内面にも接触するので、両端の導電性部材７４、７５は、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７微細粒子７３に形成された表面超伝導層を介して接続することになって、超伝導体７１を用いて電流を効率的に流すことができる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
［実施例１］
酸化マグネシウムの基板上に形成した厚さ０．４μｍのＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を試料とした。そして、測定容器内に設けられた試料ステージに基板を介してＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を載置し、５０ＭＨｚの周波数の弾性表面波の励振及び受信が可能なように形成した入力電極対及び出力電極対を備えた幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＬｉＮｂＯ_３板に対して、５μｍ隙間を設けて基板上に形成されたＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を対向配置した。次いで、測定容器内を真空にして、２０〜４００Ｋの温度範囲で１Ｋの温度間隔で温度を上げながらＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面抵抗率を測定しその昇温過程での温度特性を求めた。その結果を、図９に示す。図９から、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面抵抗率は３００Ｋ付近の温度から徐々に減少し、２００Ｋ付近で最小値を示し、低温になるにつれて上昇し１５０Ｋ以下では一定値となった。

［実施例２］
実施例１で使用したのと同様のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜に対して、その表面に酸素を吸着させた後、実施例１と同様の方法で表面抵抗率を測定しその温度特性を求めた。その結果を、図１０に示す。酸素を吸着させることにより、３００Ｋ付近におけるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面抵抗率の減少が顕著になると共に、１５０Ｋ以下で一定となる表面抵抗率の値が低下した。これは、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面に存在する酸素欠陥が、酸素の吸着により回復した効果と考えられる。

［実施例３］
実施例２で使用したＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を水素雰囲気中に曝した後、実施例１と同様の方法で表面抵抗率を測定しその温度特性を求めた。その結果を、図１１に示す。

［実施例４］
また、実施例１で使用したのと同様のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜に対して、真空状態で表面抵抗率の温度特性を測定し、次いで、測定容器内に酸素ガスを注入してＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面に酸素を吸着させた状態で表面抵抗率の温度特性を測定し、更に、測定容器内を水素ガスで置換しＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を水素雰囲気中に曝した後に表面抵抗率の温度特性を測定した。その結果を、図１２に示す。
図１１、図１２に示すように、水素雰囲気にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を曝すと酸素吸着前の状態に部分的に回復するが、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面抵抗率の減少が顕著になる温度域は、酸素を吸着させた場合と大きな変化はみられなかった。従って、酸素欠陥を一度回復すると、回復の効果は持続するものと解される。

一方、バルク状のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７では、超伝導状態になる転移温度は約９０Ｋであることが判明している。従って、図９〜図１２において、９０Ｋ以下の表面抵抗率の値が超伝導状態に対応していると考えられるので、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の極表層部における超伝導状態への転移温度は、バルク状のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７より高温側に移動していると解される。このため、超伝導体を表層部の影響が強い形状、例えば、極細のファイバー、厚みの非常に薄いパイプとすることで、超伝導状態への転移温度の上昇が可能になる。また、表層部では、超伝導体を構成している元素の欠損、例えば、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７では酸素の欠損による表面欠陥の影響が大きくなると考えられるが、実施例２の結果から、表面欠陥を回復させることで、超伝導体の特性の安定化と向上が可能になる。

［実施例５］
実施例１で使用したのと同様のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜に対して、実施例１と同様の方法で表面抵抗率を測定しその昇温過程及び降温過程での温度特性を比較した。その結果を、図１３に示す。図１３に示すように、降温過程では、３段階に渡って不連続な表面抵抗率の低下が観察された。各不連続は、表面超伝導の核形成、核成長、及び核合体の発生にそれぞれ対応していると解される。

［実施例６］
実施例１で使用したのと同様のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を測定容器の試料ステージに基板を介して載置し、真空中に９６、１２０、及び１７２時間保持した後、実施例１と同様の方法で表面抵抗率を測定しその昇温過程での温度特性を比較した。その結果を、図１４に示す。真空中での保持時間が長いほどＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面吸着ガス量は減少するので、図１４に示す温度特性の違いは、表面超伝導状態がＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面に吸着しているガス量の影響を受けることを示している。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、４フッ化エチレン樹脂膜と４フッ化エチレン樹脂膜の表面上に設けたＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を有する積層膜をジグザグ状に折り畳んで長尺の棒状又は線状とすることもできる。
超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法では、圧電体としてＬｉＮｂＯ_３を使用したが、ＢａＴｉＯ_３等の他の材質のものも使用できる。また、超伝導体としてＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７を使用したが、他の材質の超伝導体についても本測定方法は適用可能である。
更に、超伝導体の幅方向の両側に超伝導体の長手方向に沿って配置する絶縁膜の厚みを一定にしたが、絶縁膜の厚みを弾性表面波１波長以下の範囲、例えば、０．１〜１００μｍの範囲で変化させて圧電体と超伝導体との間の隙間の厚みを変えて測定を行うこともできる。隙間の厚みを変えることで、交流電界の超伝導体内への侵入距離を調整することができ、超伝導体の表面からの深さ方向に対する抵抗率の変化を測定することができる。これによって、超伝導体表面抵抗率の表面からの深さ方向依存性を求めることができる。

（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置の説明図、（Ｂ）は非接触測定装置の信号処理手段のブロック図である。（Ａ）は同超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置の弾性表面波発生手段の動作説明図、（Ｂ）は弾性表面波発生手段の入力電極対の平面図である。（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係る超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法の説明図である。（Ａ）、（Ｂ）は同超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法における抵抗率の測定方法の説明図である。本発明の第１の実施の形態に係る超伝導体の説明図である。本発明の第２の実施の形態に係る超伝導体の説明図である。本発明の第３の実施の形態に係る超伝導体の説明図である。本発明の第４の実施の形態に係る超伝導体の説明図である。実施例１における超伝導体抵抗率の温度特性を示すグラフである。実施例２における超伝導体抵抗率の温度特性を示すグラフである。実施例３における超伝導体抵抗率の温度特性を示すグラフである。実施例４における超伝導体抵抗率の温度特性を示すグラフである。実施例５における超伝導体抵抗率の温度特性を示すグラフである。実施例６における超伝導体抵抗率の温度特性を示すグラフである。

符号の説明

１０：超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置、１１：入力電極対、１２：出力電極対、１３：圧電体、１４：ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜、１５：弾性表面波発生手段、１６：高周波パルス電源、１７：信号処理手段、１８：測定容器、１９：冷却機、２０：温度制御手段、２１：第１の櫛形電極、２２：第２の櫛形電極、２３、２４：電極基部、２５、２６：第１の電極歯状部、２６ａ：電極素線部、２７：第２の電極歯状部、２７ａ：電極素線部、２８：第１のリード線、２９：第２のリード線、３０：出力部、３１：第１の櫛形電極、３２：第２の櫛形電極、３３、３４：電極基部、３５：第１のリード線、３６：第２のリード線、３７：信号入力部、３８：出力電圧測定部、３９：入力電圧測定部、４０：第１の信号処理部、４１：第２の信号処理部、４２：表示部、４３：真空ポンプ、４４：試料ステージ、４５：温度制御機、４６：基板、４７：絶縁膜、４８：隙間、５０：超伝導体、５１：４フッ化エチレン樹脂膜、５２：ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜、５３：シート、５４：ケース、５５、５６：電極、５７：超伝導体、５８：４フッ化エチレン樹脂膜、５９：ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜、６０：積層膜、６１：ケース、６２、６３：電極、６４：超伝導体、６５：溝部、６６：４フッ化エチレン樹脂棒、６７：ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜、６８：ケース、６９、７０：電極、７１：超伝導体、７２：管、７３：ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７微細粒子、７４、７５：導電性部材

Claims

誘電体薄膜の表面上に超伝導体薄膜が形成されたシートが複数積層されて積層体となっていることを特徴とする超伝導体。
誘電体薄膜と該誘電体薄膜の表面上に設けた超伝導体薄膜を有する積層膜が巻かれて又はジグザグ状に折り畳まれて長尺となっていることを特徴とする超伝導体。
軸方向に沿って直線状に又はらせん状に溝部を備えた誘電体棒の表面に超伝導体薄膜が形成されて棒状となっていることを特徴とする超伝導体。
誘電体の管内に超伝導体微細粒子が充填されて長尺となっていることを特徴とする超伝導体。
両側にそれぞれ入力電極対及び出力電極対を備え水平に配置された平板状の圧電体の表面で該入力電極対及び該出力電極対の間の領域に対して隙間を設けて一定温度に保持した平板状の超伝導体を平行に配置し、前記入力電極対に印加した入力電圧により発生した弾性表面波を前記出力電極対に向けて移動させながら該弾性表面波に伴う交流電界を前記圧電体に対向する前記超伝導体の表面側から印加して、前記出力電極対で検出した前記弾性表面波による出力電圧値と前記入力電圧中の前記弾性表面波の周波数に対応する入力電圧成分値との比の値を求めて前記超伝導体の表面抵抗率を測定することを特徴とする超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法。
請求項５記載の超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法において、前記入力電圧をパルス電圧とし、前記出力電圧値及び前記入力電圧成分値を前記出力電極対で測定された出力電圧及び前記入力電圧のそれぞれの高速フーリエ変換から求め、前記弾性表面波の周波数を前記交流電界が前記超伝導体の表面で反射されて内部に侵入しない範囲の値に設定することを特徴とする超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法。
請求項５及び６のいずれか１記載の超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法において、前記圧電体の表面と前記超伝導体との間に設けられる前記隙間は、前記弾性表面波の波長の１／２以下であることを特徴とする超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法。
請求項５及び６のいずれか１記載の超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法において、前記圧電体の表面と前記超伝導体との間に設けられる前記隙間の厚みを、前記弾性表面波の１波長以下の範囲で変化させることを特徴とする超伝導体表面抵抗率の非接触測定方法。
両側にそれぞれ入力電極対及び出力電極対が設けられて水平に配置された平板状の圧電体を備え、前記入力電極対に印加した入力電圧により発生した弾性表面波を前記出力電極対に向けて移動させながら、前記圧電体の表面で該入力電極対及び該出力電極対の間の領域に対して隙間を設けて平行に配置した平板状の超伝導体の該圧電体に対向する表面側に該弾性表面波に伴って生じ該超伝導体の表面で反射されて内部に侵入しない周波数を有する交流電界を印加する弾性表面波発生手段を有することを特徴とする超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置。
請求項９記載の超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置において、前記弾性表面波発生手段の前記圧電体に設けられた前記入力電極対に入力電圧を印加する高周波パルス発生手段と、前記弾性表面波発生手段の前記出力電極対で測定された出力電圧及び前記入力電極対に印加された前記入力電圧をそれぞれ高速フーリエ変換して出力電圧値及び該入力電圧中の該弾性表面波の周波数に対応する入力電圧成分値をそれぞれ求め、該出力電圧値及び該入力電圧成分値との比の値から前記超伝導体の表面抵抗率を算出する信号処理手段と、前記超伝導体及び前記弾性表面波発生手段を収納する測定容器と、前記測定容器内の前記超伝導体を冷却する冷却機を備えて該超伝導体の温度を制御する温度制御手段とを有することを特徴とする超伝導体表面抵抗率の非接触測定装置。