JP2011233825A - 固有ジョセフソン接合素子、及び、これを用いた量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機、並びに、固有ジョセフソン接合素子の製造方法 - Google Patents
固有ジョセフソン接合素子、及び、これを用いた量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機、並びに、固有ジョセフソン接合素子の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】超伝導層2及び絶縁層3がc軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなり、c軸方向に直交するab面に沿った任意の方向に離間して配置される第一電極部10及び第二電極部20と、これら第一電極部10と第二電極部20とを接続するブリッジ部30とから固有ジョセフソン接合素子1を構成する。ブリッジ部30には、第一スリット31と第二スリット32とによってc軸方向に直交するab面に沿った方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部33を形成する。
【選択図】図1
Description
本発明の固有ジョセフソン接合素子はこのような知見に基づいてなされたものであって、超伝導層と絶縁層とがc軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなることを特徴とする。
これにより、ジョセフソン電流流通部においてc軸方向に超伝導電流が流通する固有ジョセフソン効果を発現させることができる。
さらに、前記単結晶に対して、前記c軸方向から集束イオンビーム加工を施すステップをさらに備えていてもよい。
これにより、上記固有ジョセフソン接合素子を容易かつ確実に作製することができる。
また、この固有ジョセフソン接合素子を応用することによって、適切に機能する量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機を得ることができる。
固有ジョセフソン接合素子1は、図1及び図2に示すように、鉄ヒ素系超伝導体の単結晶に加工を施すことにより得られるものであって、第一電極部10と第二電極部20とがブリッジ部30で接続された構成をなしている。
まず、鉄ヒ素系超伝導体であるPrFeAsO0.7の単結晶を、例えば高圧合成法によって取得する。この高圧合成法においては、原料としてLnAs前駆体、Fe粉、α−Fe2O3を用い、これら原料を混合して高圧高温化に曝すことによって、PrFeAsO0.7を合成する。
例えば、実施形態においては、図5(b)において、FIB加工を施すことによりx軸方向中央部分のy軸方向両側の部分が剥ぎ取るネッキングを行ったが、当該FIB加工はx軸方向中央部分のy軸方向片側のみに施してもよい。この場合、固有ジョセフソン接合素子1は、例えば図6(a)に示すように、ブリッジ部30がy軸方向片側に配置された構成となる。
実施形態で説明した固有ジョセフソン接合素子1を作製して、その物性を評価した。
まず、高圧合成法により鉄ヒ素系超伝導体であるPrFeAsO0.7の単結晶を取得した。高圧合成法では、原料としてLnAs前駆体、Fe粉(フルウチ化学、99.9%)、α−Fe2O3(レアメタリック、99.9%)を用いた。また、均質な材料を得るために、Fe粉は目開き53ミクロンのふるいを通った粉を使用した。そして、これら原料を、Pr:Fe:As:O=1:1:1:0.7となるように秤量した。次いで、上記原料を混合したものを、約2〜5.5GPaの高圧力下、25分で約1050〜1150℃まで加熱した。この温度を2時間維持した後に、ヒーターの加熱を切って、温度をクエンチした。これにより、PrFeAsO0.7の単結晶を含む焼結体を得た。
まず、固有ジョセフソン接合素子1におけるab平面の抵抗率ρabを測定した。具体的には、図5(b)に示す段階、即ち、上方向からのFIB加工によるネッキングのみを施した状態において、四端子法を用いることで第一電極部10及び第二電極部20間の抵抗率ρabを各絶対温度Tについて測定した。測定結果を図14(a)に示す。
続いて、固有ジョセフソン接合素子1におけるc軸方向の抵抗率ρcを測定した。具体的には、固有ジョセフソン接合素子1におけるジョセフソン電流流通部33の両端間における抵抗率を、四端子法を用いることで各絶対温度Tについて測定した。測定結果を図14(b)に示す。
そして、ρabに対するρcの比として定められた抵抗率の異方性の値を、上記のように得られたρab及びρcの値から算出した、算出結果を図14(c)に示す。
この結果から、PrFeAsO0.7においては55Kにおいて異方性の値が120と比較的大きな値を示し、電子状態の強い異方性の存在が証明された。
固有ジョセフソン接合素子1を4.2Kに冷却した状態で、ジョセフソン電流流通部33を流通するc軸方向の電流(ジョセフソン電流)Icと電圧Vの関係を測定した。測定結果を図15に示す。
図15から、I−V特定において強いヒステリシスが出現していることがわかる。これにより、鉄ヒ素系超伝導体のPrFeAsO0.7においても、従来の銅酸化物系超伝導体と同様の固有ジョセフソン効果が発現されることが証明された。
2 超伝導層
3 絶縁層
4 単結晶
10 第一電極部
20 第二電極部
30 ブリッジ部
31 第一スリット
32 第二スリット
33 ジョセフソン電流流通部
40 基板
50 超伝導量子干渉素子
51 超伝導リング構造
53 第一スリット
54 第二スリット
55 貫通孔
60 テラヘルツ検出器
61 シリコン基板
62 rfチョークフィルタ
63 平面ボータイアンテナ
70 電圧標準装置
71 基板
72 ボータイアンテナ
80 ミリ波・サブミリ波受信機
80a 基板
81 ボータイアンテナ
82 rfチョーク回路
83 ミリ波・サブミリ波
84 電圧端子
85 電流端子
90 テラヘルツ発振器
91 超伝導バー構造
92 超伝導バー構造
Claims (12)
- 超伝導層及び絶縁層がc軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなることを特徴とする固有ジョセフソン接合素子。
- 前記c軸方向に直交するab面に沿った任意の方向であるx軸方向に離間して配置される第一電極部及び第二電極部と、これら第一電極部と第二電極部とを接続するブリッジ部とを備え、
該ブリッジ部は、
前記c軸方向一方側から凹むとともに前記x軸方向及び前記c軸方向の双方に直交するy軸方向にわたって延びる第一スリットと、
前記c軸方向他方側から凹むとともに前記y軸方向にわたって延びる第二スリットと、
これら第一スリットと第二スリットとによって前記x軸方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の固有ジョセフソン接合素子。 - 前記鉄ヒ素系超伝導体が、Ln、Fe、As、Oの元素を含む1111系の化合物であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固有ジョセフソン接合素子。
- 前記鉄ヒ素系超伝導体が、PrFeAsO1−xを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする量子ビット。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする超伝導量子干渉素子。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とするテラヘルツ検出器。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とするテラヘルツ発振器。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする電圧標準装置。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有するミリ波・サブミリ波受信機。
- 超伝導層と絶縁層とからなる積層状結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶を、基板上に固定するステップと、
前記単結晶に対して、前記超伝導層及び前記絶縁層の積層方向であるc軸方向に直交するy方向から集束イオンビーム加工を施すステップとを備えることを特徴とする固有ジョセフソン接合素子の製造方法。 - 前記単結晶に対して、前記c軸方向から集束イオンビーム加工を施すステップをさらに備えることを特徴とする請求項11に記載の固有ジョセフソン接合素子の製造方法。
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