JP2569408B2 - 多数の微小弱結合からなるジョセフソン素子 - Google Patents

多数の微小弱結合からなるジョセフソン素子

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、勅並列に多数接続された微小電極の間に
形成される超電導の微小弱結合からなるブリッジが全体
として単一のジョセフソン素子の様に振舞い得ることを
示す超電導電子対トンネルの隣合う微小弱結合間の強い
相互作用を考慮した新しい理論に関するもので、その原
理に基づく現象を利用したジョセフソン素子と、このジ
ョセフソン素子の電磁波検出器への応用、および高い超
電導転移温度を持つ超電導薄膜を用いた場合に可能とな
る高い温度で利用できる交流ジョセフソン効果に基づく
高精度な電圧基準発生への応用に関するものである。
従来の技術 ジョセフソン効果は、1962年に英国のB.D.ジョセフソ
ンによる理論的な予言として世に現れ、その後間もなく
実験的検証がなされた。ジョセフソン効果は、当初第１
図（ａ）に示す様な二つの超電導体１が薄い絶縁膜２に
よって隔てられているいわゆるトンネル型ジョセフソン
接合で起こる超電導電子対のトンネルと考えられてい
た。その後、二つの超電導体３を点接触させた第１図
（ｂ）の様な点接触型接合の場合にも、さらに超電導薄
膜４に細く短い弱結合５を設けた第１図（ｃ）のような
弱結合型接合の場合にも同様なジョセフソン効果が観測
され、多くの変形が工夫が開発されている。第１図
（ａ）のトンネル型接合素子をトンネル型ジョセフソン
接合と呼ぶのに対し、第１図（ｂ）（ｃ）の弱結合素子
は、弱結合型ジョセフソン接合とも呼ばれる。この両者
のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性には第２図（ａ）（ｂ）に
示す様な特徴的な違いがある。第１図（ａ）のトンネル
型接合のＩ−Ｖ特性が第２図（ａ）のように大きなヒス
テリシスを描くのに対し、第１図（ｂ）（ｃ）の弱結合
素子は第２図（ｂ）のようなヒステリシスのないＩ−Ｖ
特性で特徴づけられる。いづれの場合にも、電磁波を照
射すると交流ジョセフソン効果と呼ばれるステップ状の
Ｉ−Ｖ特性が得られる。ここで、ｈはプランク定数であ
り、ｅは素電荷である。そのステップは、一定不変の基
礎定数からなるジョセフソン係数2e/hの逆数と電磁波の
周波数ｆの積で表されるhf/2eの電圧間隔で現れる。こ
のステップ電圧は、理論的には周波数ｆの精度で得られ
ることから、この交流ジョセフソン効果は現在の電圧標
準技術に実用化されている。また電磁波に対する鋭い非
線形効果は高感度な電磁波検出への応用が有望であり研
究開発が進められている。
ジョセフソン接合をＭ段直列に接続した素子の場合、
第３図（ａ）に示すようにアレー中の各接合は接合抵抗
Pk、臨界電流IK（ここでｋ＝1,2,3...）に関して少しづ
つ異なった値を持っていると考えるべきである。（ここ
でｋ＝1,2,3,...M）素子抵抗に比較し、十分大きなイン
ピーダンスの電流源を用いて直流バイアスをすれば、共
通の直流電流Ｉは電流源によって決定される。臨界電流
より大きい電流Ｉに対しては有限電圧VKが発生し、交流
ジョセフソン効果に基づく周波数fk＝2eVK/hの振動電流
が生じ全体として第３図（ｂ）のようにＭ個の発振器の
直列接続のようになる。この交流電流成分も共通の電流
として流れるのに対し、直流的にはVKは電流Ｉと接合抵
抗RKとで決まるため隣接する接合の周波数fk-1,fK,fK+1
との間の瞬時値に、ずれが生じる。同じ接合パラメータ
でゆらぎがない場合には位相差θ1,θ２…θＮは同じに
なるが、外部の摂動に対しては回復作用が無く、一般に
直列接続されたジョセフソン素子は互いに独立であると
考えられている。
同じような接合特性の素子を直列に接続し、高周波的
な結合による同期作用がある場合、第３図（ｂ）のよう
なＭ段直列の弱結合での交流ジョセフソン効果による発
振が、ほぼ同位相で重ね合わされることが報告されてい
る。この場合、交流電圧はＭ倍となり、発振電力はM2倍
となる。ここでは、接合を横切る電圧VKは長い時間では
等しく、摂動は低い周波数である。そして、短時間内で
は、各接合の周波数は等しく であり、すなわちf1＝f2＝・・・＝fMである。
このようなコヒーレントな状態にあるジョセフソン素
子に外部から周波数ｆのマイクロ波が照射された場合の
定電圧電流ステップは第３図（ｃ）のようにＩ−Ｖ特性
上のMhf/2eの電圧ごとに現れる。しかし、この場合もそ
れぞれの発振が同位相で重ね合わさっている状態であり
Ｍ段の量子過程は、それぞれ独立しており、バイアス電
圧はＭ倍の単位となってあらわれている。これは、第２
図（ｂ）に示した単一の弱結合の場合の電磁波応答特性
と区別される。
一般に高い超電導転移温度（臨界温度TC）を持つ超電
導体のコヒーレンス長ξは短いため第１図（ａ）のトン
ネル型ジョセフソン接合を形成する場合、薄膜表面の状
態や界面の性質に依る接合特性への影響が大きく、特に
酸化物高温超電導薄膜を用いる場合、コヒーレンス長が
短く単位格子のサイズと同程度であることから超電導体
１に挟まれた薄い絶縁膜２に依って良好なトンネル障壁
を実現するのは非常に困難な問題となる。
また、第１図（ｃ）で代表される弱結合型ジョセフソ
ン接合の場合、理想に近いジョセフソン効果が期待でき
るためには、弱結合５の長さＬの条件として Ｌ＜3.49ξ〜5.30ξ （２） が要求され、各種の薄膜接合形成プロセスを考慮しても
初期成長膜、薄膜表面、界面の性質にかかわる接合特性
への影響が大きく、トンネル型接合の場合と同様に技術
的な多くの困難に直面している。
特に最近の酸化物系超電導薄膜を用いたジョセフソン
接合の開発は、超電導エレクトロニクス応用の面から重
要視されている。しかし、酸化物高温超電導体が多数原
子からなる酸化物であり、多くの結晶構造が可能である
ことから酸素量やその他の原子の素成比における微妙な
差や、結晶構造や界面のでき具合いに各種の違いが生じ
易く、それらが超電導特性に大きく影響するため薄膜表
面や接合界面の制御が非常に困難である。そのため上述
のような人為的な薄膜接合の形成により良好な特性を示
すジョセフソン素子を実現した例は報告されていない。
発明が解決しようとする問題点 最新の薄膜微細加工技術をもってしても微小な弱結合
部分の極微細加工により弱結合型ジョセフソン接合の特
性を再現性よく制御することは非常に難しく、特に短い
コヒーレンス長ξを持つ高温超伝導体の弱結合素子の特
性を制御することは現実に不可能である。本発明では、
従来技術のねらいと異なった視点に立ち、多数の微小弱
結合からなる超伝導弱結合（ブリッジ部）の長さＤと幅
Ｗを通常の微細加工技術の精度で特性が制御できる製作
加工が容易なジョセフソン素子を供給することにある。
問題を解決するための手段 具体的には、二つの超伝導体を接合する超伝導弱結合
であって、互いに隣接して配置されている複数の微小超
伝導領域と、上記微小超伝導領域を相互に直列的及び並
列的に接続する複数の導電性ブリッジと、該ブリッジの
長さはそれぞれがジョセフソン効果を生じる弱結合とし
て作用するようにコヒーレンス長に対して１〜5.31倍の
範囲であり、該微小超伝導領域は、10-18〜２×20-12cm
3の極微小な実効体積であって、その結果、電子配置の
定常状態からの僅かなずれが非常に高い表面電荷密度を
生じさせるため、たとえ該微小超伝導領域間の電子配置
を定常状態からずらそうとする作用が働いた場合にも静
電エネルギーを一定に保とうとする強い復元作用が働き
電子配置を定常状態に保持することから成る。
作用 上記構成の多数の微小弱結合からなるジョセフソン素
子の構成は、第４図（ａ）及び（ｂ）で表現でき、第４
図（ａ）は二つの超伝導体６と該二つの超伝導体６を接
合する超伝導弱結合（ブリッジ部）７を示し、該ブリッ
ジ部の長さをＤ、幅をＷで示している。第４図（ｂ）は
複数の微小超伝導領域８と、該微小超伝導領域８を相互
に直列的及び並列的に接続する複数の導電性ブリッジ９
からなる当該ブリッジ部７の構成を示す図である。この
ように複数の微小超伝導領域８とそれらを相互に接続す
る導電性ブリッジ９は微小超伝導電極間のジョセフソン
効果を生じる弱結合として作用する。一般に、特性の異
なる微小弱結合が多数直並列に連なって形成されている
場合、各弱結合の抵抗Rkや臨界電流Ikに差があるためブ
リッジを流れる電流は、一様な電流とはならず第５図に
示すようにブリッジ全体を貫く複数の電流路11と、その
他の電流ループ12で構成されると考えられる。ブリッジ
全体を貫く電流路11に含まれる接合は基本的に有限電圧
状態で生じる交流ジョセフソン効果による振動電流の電
流路となり、直流的にも交流的にも共通の電流が流れる
必要がある。多数の微小電極10の間に形成される電流ル
ープには、全体を貫く電流路11上に直列になる微小電極
10の間に形成される弱結合の異なる接合抵抗Rkと臨界電
流Ik（ｋ＝1,2,3...）を補い電位差全体を等しく保つよ
うな電流配置を形成することができる。並列の接合はま
とめて考えることができるので、ブリッジ全体が少し接
合パラメータに違いのあるＭ段直列の微小弱結合からな
るとし第６図のような等価回路で考えることができる。
第６図は、ｋ番目の等価回路13とその前後ｋ−1,k＋１
番目の等価回路を表しており、ここでは微小弱結合の小
さい容量は省略してある。ここで補償電流ループ14はｋ
番目の接合から見た多数の電流ループ12および電極とな
っている微結晶粒の中の電流ループも含めた周辺との結
合を表すもので、これらの補償電流IK-1 ＊,IK ＊,IK+1 ＊
による接合パラメータの補正効果により各接合間に等分
された電位分布Vk-1＝Vk＝Vk+1が実現し、振動電流の周
波数fK-1,fK,fK+1はほぼ共通の位相で重ね合される。
ここまでの説明で、微小な弱結合の直並列回路では、
接合特性の多少なずれにもかかわらず無数に可能な微小
電流ループにより、ほぼ特性のそろった接合を接続した
ときのようにコヒーレントな動作期待できることを述べ
た。
次に、微小電極による接合が連なる効果を考える。第
７図は、微小電極間に形成される弱結合が一次元的に連
なった素子での電子対トンネルを考えるためのモデルを
表す図で、ｋ−１番目の電極15、ｋ番目の電極16、ｋ＋
１番目の電極17とその前後を表している。
φｋはｋ番目の電極の波動関係の位相で である。ここでμｋはｋ番目の電極の電気化学ポテンシ
ャルである。
ｋ番目とｋ＋１番目の電極の位相差 ｋを θｋ＝φk+1−φｋとすれば、ｋ→ｋ＋１への超伝導電
流Ik（ｔ）は Ik（ｔ）＝Iksinθｋ （４） と表される。この場合Ik-1≒Ik≒Ik+1である位相差θｋ
の時間変化は（３）式を用いて となる。またｋ−１番目とｋ番目の電極中の電子対の数
をNK-1 ＊Nk ＊とすれば、それらの時間変化は、 となる。
従って、電流が乱れること無く連続的に流れる限りす
なわちIk-1＝Ik＝Ik+1ならば（６）式より各電極内の電
子数に変化はない、ここで、他から絶縁された直径１μ
ｍの微小金属球に素電荷 ｅ＝1.6×1019クーロンの電荷が与えられた場合の表面
電位を試算すると2.9mVとなる。この値はジョセフソン
接合の電極ポテンシャルとしては極めて大きな変化であ
る。実際の弱結合型の直並列アレーでは短い時間にもっ
と広い領域の全体として中和されると考えられるが、微
小電極にとって非常に大きな作用が生じることを示して
いる。ここで実際に想定される微小弱結合の電極は同じ
程度がさらに小さいと考えられ、各微小電極間に弱結合
型ジョセフソン接合相互間を流れる電流は相互に強く拘
束し合い瞬時値としてのIk（ｔ）（ｋ＝1,2,3,…）は実
質的に自由度を持ち得ない。
従って電流は乱れることなく、連続的に流れ、どの瞬
間にも Ik-1＝Ik＝Ik+1を保つような力が働く。これは（４）式
から、位相θｋ（ｋ＝1,2,3,…）に対する自由度の拘束
と等化でありθ１＝θ２＝…＝θｋ＝…が要求され、振
動電流の成分についても全く同様であることから が要求される。
この関係を、電気化学ポテンシャルμk-1、μｋ、μ
k+1、μk+2の変動との関係を示したのが第８図である。
第８図（ａ）は、直流的な電位差がない場合の定常状態
18の各電極のポテンシャルを実線で示す。
ここで位相差θｋに他の接合部分と異なる微小変化が
生じると（４）式により電流値Ik（ｔ）が全体の中で微
小変動を生じ、もし他に比較して小さい場合（６）式に
より、ｋ番目の電極では電子対の密度が上昇し、ｋ＋１
番目の電極では電子対の密度が減少する非定常状態19と
なり破線で示すようなポテンシャルの変移がおきる。
第８図（ｂ）は直流的なポテンシャル差がある場合に
ついて同様に示しており、実線は定常状態20でのポテン
シャル配置、破線は非定常状態21である。しかし、いず
れの場合も位相差θｋ（ｋ＝1,2,3,…）に対する強い相
互作用で、第８図（ａ）では18の状態第８図（ｂ）では
20の状態をとると考えられる。
第９図（ａ）は３段の量子遷移過程が直列に連なった
場合を示している。通常は最も高いポテンシャル位置に
ある電子対22が、電子対23の位置に遷移する過程、また
それと同じポテンシャル位置にある電子対が、電子対24
の位置に遷移する過程、さらにそれと同じポテンシャル
位置の電子対が、電子対25の位置に遷移する過程はそれ
ぞれ独立である。しかし、以上に述べたように、超伝導
電子対のトンネル位相に強い拘束がある本発明の多数
の、微小弱結合からなるジョセフソン素子では、それぞ
れの遷移過程は独立でなく連続的につながり、第９図
（ｂ）に示す様な中間の弱結合の段数に関係せず二つの
超伝導電極間を遷移する現象が現れる。その結果、本発
明による多数の微小弱結合からなるジョセフソン素子
は、全体として単一のジョセフソン素子として用いるこ
とができる。
実施例 第12図は、超伝導薄膜形成過程と薄膜微細加工工程を
組み合わせて構成する本発明による多数の微小弱結合素
子からなるジョセフソン素子の部分拡大図である。具体
的なこの素子の製造方法を述べると、まず、下部電極を
形成するための超伝導薄膜を基板上に成長させ、薄膜リ
ソグラフィ技術により微小な下部微小超伝導領域45を形
成する。次に絶縁薄膜を下部電極の上に成長させ、その
上に超伝導薄膜を重ねて成長させ、更にフォトレジスト
又は電子ビームレジストを選択露光し、上部微小超伝導
領域46とすべき領域を保護し、後にその他の扶養部分を
選択エッチング除去する。このようにして基板上に形成
した下部領域45と上部領域46は絶縁膜による電気的に分
離された状態で形成する。次に、下部領域45と上部領域
46間を導電性の結合物質で弱く結合するために薄い超伝
導薄膜又は金属薄膜等で全面を被覆し、電子ビーム露光
技術と選択エッチング除去技術を用いて微細な薄膜状の
導電性弱結合部44を形成する。この方法では、導電性ブ
リッジの長さは実質的に上下の超伝導薄膜間の絶縁膜の
厚さで設定でき短い超伝導弱結合を形成するのに好適で
ある。超伝導薄膜材料としてニオブ薄膜を用いて上記方
法により超伝導弱結合素子を製造すると、超伝導領域の
寸法は幅２μｍ、長さ４μｍ、厚さ0.1μｍの超伝導領
域を形成することができ、導電性ブリッジは幅50〜200n
m、長さ４〜20nm、厚さ10〜15nm程度となる。
次に、強い異方性と層状構造、短いコヒーレンス長等
が問題となる酸化物系高温超伝導体を素材として用いる
場合の本発明による多数の微小弱結合からなるジョセフ
ソン素子の具体的実現方法について述べる。酸化物系高
温超伝導薄膜の場合、現時点の成膜技術では多層膜化を
必要とする素子の製作過程は不可能であり、一方で平面
的な微細加工の極限に頼る製作方法では高温超伝導体の
短いコヒーレンス長ξからして達成不可能であり非現実
的である。そこで、考えられる方法は、超伝導薄膜の形
成過程（あるいは成膜の前後）で膜中一面に二次元的に
分布する欠陥を形成させる方法である。
第13図に示した様に、二次元的に分布する膜中の欠陥
47は、磁束の強いピン止め中心として作用し、周囲に常
伝導部分48を生じさせ、その結果として二次元的な小さ
な超伝導部分49を島状分布を形成させその境界には弱い
超伝導の部分50が存在し短い超伝導弱結合として作用す
ると考えられる。
本発明による超伝導弱結合素子を、ここで示す膜中欠
陥を二次元的に分布させる方式により実現するために
は、超伝導部分49が微小超伝導領域であること、及び欠
陥の分布が、ほぼ一様であること、欠陥が強い磁束のピ
ン止め中心として作用することが重要である。欠陥形成
の種類としては、 （ａ）基本組成から意図的にずれた成分比で成膜を行う
ことにより過剰元素又はその化合物の析出を起こさせ薄
膜中にほぼ一様な原子又はその化合物の塊として分布さ
せる。この種の欠陥は、原子単位の欠陥に比べ、はるか
に強い磁束ピン止め効果により液体窒素温度付近までも
磁束を安定に保持し、微小超伝導領域を安定に保持する
ことが期待でき、各種の高温超伝導材料に対して利用で
きる。他の有力な方法として、 （ｂ）単結晶に近い薄膜を成長させた後、二次元的な欠
陥分布ができるように不純物の注入を行い、第13図に示
した超伝導薄膜中の欠陥47の様な分布を、設計された形
状分布でより規則正しく形成させる方法が可能である。
この目的には半導体技術で用いられているイオン注入技
術と描画技術が有効に利用できる。
第12図に示した素子にしても、第13図の欠陥47の分布
を上記の（ａ）（ｂ）或いはその他により形成する方法
のいずれに依っても基本的に同じ機能が期待でき、本発
明の多数の微小弱結合からなるジョセフソン素子が実現
できる。
次に、MOCVD法により製造したYBCO酸化物高温超伝導
薄膜により本発明の多数の微小弱結合からなるジョセフ
ソン素子を形成した実験結果について述べる。このYBCO
膜は強いＣ軸配向の膜であり、析出した過剰な銅の微小
粒子が膜中一面に分布しており、この膜中の欠陥が磁束
の強いピン止め中心となり、超伝導領域の島状分布とそ
れらの間を弱くつなぐジョセフソン結合の二次元アレー
を形成されている。MOCVD法によるYBa2Cu3O7-xの酸化物
高温超電導膜を用いて幅約10μｍ長さ約20μｍのくびれ
部分を構成し、１つのブリッジとしたもので、この膜厚
は３μｍ程度である。
ブリッジ全体の抵抗Rjは約0.1Ω、臨界電流Icは60K付
近で約1.5mAである。第10図では、液体窒素を減圧し、
素子部の温度が約58KのときのＩ−Ｖ特性を示してあ
る。101GHzのミリ波照射に対して、超電導膜ブリッジの
Ｉ−Ｖ特性を四端子法により測定したもので、交流ジョ
セフソン効果による鮮明なステップ応答が表されてい
る。周波数ｆ＝101GHzのミリ波照射に対し電流ステップ
はhf/2eの電圧間隔で表れており多数の微小弱結合から
なるブリッジのＩ−Ｖ特性が第２図（ｂ）に示したよう
な単一の弱結合のＩ−Ｖ特性と全く同様に表れている。
これらのことから、第５〜８図を用いて説明した効果
により、微小電極を連ねて形成された直列並列の弱結合
アレーが、全体として単一のジョセフソン素子のように
振る舞う原理が実証されたことになる。
このMOCVD法による、YBCO膜は、強いＣ軸配向の膜で
あり顕微鏡で観察できるような明確な粒界は少ない、６
カ月以上安定に熱サイクルに耐え化学的にも安定である
事実を考え、さらにブリッジの臨界電流密度は、104〜1
05A/cm2と高い値が得られており、従って弱結合として
は内部のより小さな結晶粒内のどこか、たとえば双晶の
境界に存在し高密度に形成されている可能性も考えられ
る。
一方、ブリッジ部の長さＤとブリッジ幅Ｗはコヒーレ
ンス長ξに比べ３桁大きな寸法であり、もし内部に何ら
かの弱結合を形成する微細な構造を持たない限り、これ
はただの超電導線であり、ジョセフソン効果が明確な形
で観測され得ない。
ブリッジの長さと幅を変えれば抵抗Rjと臨界電流Icが
変化するが、マイクロ波照射に対しては同様に明確なジ
ョセフソン効果が観測された。
顕微鏡で容易に確認できるような粒界膜中の大きな粒
界が接続されている場合、大きな結晶粒界の界面のどこ
かで弱結合が形成されていると考えられる。しかし、こ
の場合の結晶粒界の弱結合の多くは熱サイクルで容易に
破壊され実用にはならない。
薄膜中の弱結合には、いくつかの可能性が考えられて
いるが実用上の安定性から考え高い均一度の薄膜の結晶
内部に形成される弱結合を使用する必要がある。
MOCVD法によるYBCO膜を用いた場合、高い臨界電流密
度と、極めて安定な特性が得られており十分実用可能で
あることが明らかになっている。
第11図は、高温超電導膜ジョセフソン素子の優れた高
周波特性を生かし交流ジョセフソン効果に基づく精密基
準電圧の発生法の、例を示す図である。26は本発明によ
るジョセフソン素子であり電流源バイアス回路27から直
流電流を供給される。素子の両端の電圧は差動増幅器28
で、バイアス回路27からの電流値と合わせてＩ−Ｖ特性
を29のＸ−Ｙレコーダまたはオシロスコーブ上でモニタ
ーできる。一方PLLミリ波発振器30は参照周波数源31と
高周波ミキサー用局発信号源32とにより所望の周波数で
高安定なミリ波出力を発生できる。
また信号発生器33により局発信号源32にFM変調を加え
ることができる。34は電力を調整するための減衰器であ
り、35は導波管スイッチ、36はホーンアンテナである。
ホーンアンテナ36から出たミリ波ビーム37は集光用凹面
鏡38により、素子26を冷却するためのデュワー39に取り
付けた窓40を通して素子26上に集光され29のＸ−Ｙレコ
ーダまたはオシロスコープ上でＩ−Ｖ特性をモニターし
ながら交流ジョセフソン効果によるステップを発生させ
る。
電流源バイアス回路27の電流値を適当なｍ番目のステ
ップの中央の電流値を選び設定することにより、バイア
ス電流のゆらぎに無関係に電圧出力値mhf/2eを精密基準
電圧出力41として得ることができる。ここでｍは整数で
あり、周波数ｆを変化させれば微小電圧を連続的に変化
できる。
第10図に示した素子の場合101GHzの照射に対する５番
目のステップで100μＡ以上のステップ電流幅が得られ
ており、1mv付近の調精密な基準電圧を発生できる。
42はミリ波電力を計測するための電力検知器であり43
は電力計である。
発明の効果 超高速応答特性を持つキャパシタンスの小さな単一の
短い弱結合型ジョセフソン接合を実現しようとする場
合、微細加工による導電性ブリッジの仕上がり状態が接
合パラメータに大きく影響するため均質な接合特性を再
現性良く確保するのが困難となるのに対し、本発明によ
る多数の微小弱結合からなるジョセフソン素子では、個
々の接合パラメータは平均化されるため、たとえ非常に
短いコヒーレンス長を持つ高温超伝導体の場合にも均質
な接合特性が達成できる大きな利点がある。また、本発
明による高温超電導薄膜のジョセフソン素子の精密基準
電圧の発生への応用は、液体ヘリウムを使用しない簡便
な冷却方法を利用できることから、現在、二次標準とし
て用いられている標準電池に代わり、交流ジョセフソン
効果に基づく高い精度の実用的な電圧基準を供給でき
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のジョセフソン素子の種類を説明する図で
あり、第２図はジョセフソン素子のうちトンネル型の弱
結合型のＩ−Ｖ特性を対比して示す図、第３図は従来知
られている直列接続のジョセフソン素子の等価回路とコ
ヒーレントに動作する場合の外部マイクロ波照射に対す
る応答特性の説明図、第４図は本発明によるブリッジの
構成例を示す説明図、第５図は、本発明による多数の微
小弱結合が直並列に接続されたブリッジ中での電流分布
を説明する図、第６図は、本発明による多数の微小弱結
合からなるブリッジを直列接続のジョセフソン素子とし
て扱うための等価回路、第７図は、微小電極間に形成さ
れる弱結合が一次元的に連なった素子中での電子対トン
ネルのモデルを表す図、第８図は、一次元的に連なった
微小電極とその間に形成された弱結合中を流れる超電導
電流IKの位相が相対的にゆらいだ場合に誘起される微小
電極の電気化学ポテンシャルμＫの変動を説明する図、
第９図は、複数の量子過程が連なったポテンシャルの関
係に配置されている場合に、超電導電子対の位相が相互
に強く拘束しあう結果、全体として連続的な量子過程が
現れることの説明図、第10図は、本発明の実施例であっ
てYBCO系高温超電導膜ブリッジの101GHzミリ波照射に対
する交流ジョセフソン効果を示すＩ−Ｖ特性の図、第11
図は、本発明によるジョセフソン素子として、高温超電
導膜を用いて形成したブリッジを用い、交流ジョセフソ
ン効果に基づく精密基準電圧の発生法の例を示す図。 （２）図の簡単な説明を次のように訂正する。 第１図（ａ）は、公知のトンネル型ジョセフソン接合の
構成を示す説明図、第１図（ｂ）は、公知の点接触型ジ
ョセフソン接合の構成を示す説明図、第１図（ｃ）は、
公知の弱結合型ジョセフソン接合の構成を示す説明図、
第２図（ａ）は、公知のトンネル型ジョセフソン素子の
Ｉ−Ｖ特性について電磁波照射が有る場合と無い場合の
変化を示す概略説明図、第２図（ｂ）は、公知の弱結合
型ジョセフソン素子のＩ−Ｖ特性について電磁波照射が
有る場合と無い場合の変化を示す概略説明図、第３図
（ａ）は、公知の直列接続されたジョセフソン素子の等
価回路を示す説明図、第３図（ｂ）は、公知の直列接続
されたジョセフソン素子で生じるジョセフソン発振の直
列接続を模式的に示す説明図、第３図（ｃ）は、公知の
直列接続されたＭ段のジョセフソン素子で同じ周波数の
発振を生じている場合のマイクロ波応答を示す説明図、
第４図（ａ）は、本発明による多数の微小弱結合からな
るジョセフソン素子の構成を示す説明図、第４図（ｂ）
は、本発明による多数の微小弱結合からなるジョセフソ
ン素子の二つの超伝導体を結ぶブリッジ部の構成を示す
説明図、第５図は、本発明による多数の微小弱結合から
なるジョセフソン素子のブリッジ部での電流分布の概念
を示す説明図、第６図は、本発明によるジョセフソン素
子を直列接続型の等価回路で表した説明図、第７図は、
本発明による多数の微小弱結合からなるジョセフソン素
子における電子対トンネルの一次元モデルによる説明
図、第８図（ａ）は、本発明による多数の微小弱結合か
らなるジョセフソン素子において両端に直流的なポテン
シャル差が無く、超伝導電流分布にゆらぎが生じた場合
の電気化学ポテンシャルの変動の様子を一次元的に示す
説明図、第８図（ｂ）は、本発明による多数の微小弱結
合からなるジョセフソン素子において両端に直流的なポ
テンシャル差があり、電流分布にゆらぎが生じた場合の
電気化学ポテンシャルの変動の様子を一次元的に示す説
明図、第９図（ａ）は、本発明による多数の微小弱結合
からなるジョセフソン素子が直列的なポテンシャル配置
にある多数の量子過程を含むことを示す説明図、第９図
（ｂ）は、本発明による多数の微小弱結合からなるジョ
セフソン素子では直列的なポテンシャル配置にある多数
の量子過程が連動し単一の過程として現れることを示す
説明図、第10図は、本発明によるYBCO高温超伝導膜を用
いた多数の微小弱結合からなるジョセフソン素子の101G
Hzミリ波照射に対する交流ジョセフソン効果を示すＩ−
Ｖ特性の説明図、第11図は、本発明による多数の微小弱
結合からなるジョセフソン素子を用いた交流ジョセフソ
ン効果に基づく精密基準電圧発生装置の構成を示す説明
図、第12図は、本発明による多数の微小弱結合からなる
ジョセフソン素子の具体的な実現方法の一例を示す説明
図、第13図は、本発明による多数の微小弱結合からなる
ジョセフソン素子の具体的な実現方法の他の一例を示す
説明図、 符号の説明 １……超伝導体、２……薄い絶縁膜、３……超伝導体、
４……超伝導膜、５……弱結合、６……超伝導体、７…
…超伝導弱結合、８……微小超伝導領域、９……導電性
ブリッジ、10……微小電極、11……電流路、12……電流
ループ、13……接合の等価回路、14……補償電流ルー
プ、15……ｋ−１番目の電極、16……ｋ番目の電極、17
……ｋ＋１番目の電極、18……定常状態のポテンシャ
ル、19……非定常状態のポテンシャル、20……定常状態
のポテンシャル、21……非定常状態のポテンシャル、22
……遷移前の超伝導電子対、23……遷移後の超伝導電子
対、24……遷移後の超伝導電子対、25……遷移後の超伝
導電子対、26……本発明による多数の微小弱結合からな
るジョセフソン素子、27……バイアス回路、28……差動
増幅器、29……Ｘ−Ｙレコーダ、30……PLLミリ波発振
器、31……参照周波数源、32……局発信号源、33……信
号発生器、34……減衰器、35……導波管スイッチ、36…
…ホーンアンテナ、37……ミリ波ビーム、38……集光用
凹面鏡、39……デュワー、40……窓、41……精密基準電
圧出力、42……電力検知器、43……電力計、44……弱結
合部、45,46……微小超伝導領域、47……膜中の欠陥、4
8……常伝導部分、49……超伝導部分、50……弱い超伝
導の部分、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−153482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−89479（ＪＰ，Ａ) ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｆｕｉｕｒ ｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ −Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｅｌ ｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ−［ＦＥ Ｄ Ｈｉｔｃｓｃ−ＥＤ ＷＯＲＫＳＨ ＯＰ］，Ｊｕｎｅ２−４，1988，Ｍｉｙ ａｇｉ−Ｚａｏ，ＰＰ．161−170

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】二つの超伝導体を結合する超伝導弱結合で
    あって、互いに隣接して配置されている複数の微小超伝
    導領域と、該微小超伝導領域を相互に直列的及び並列的
    に接続する複数の導電性ブリッジとから成り、該導電性
    ブリッジの長さはそれぞれがジョセフソン効果を生じる
    弱結合として作用するようにコヒーレンス長に対して１
    〜5.31倍の範囲にすると共に、上記微小超伝導領域は10
    -18〜２×20-12cm3の極微小な実効体積としたことを特
    徴とする多数の微小弱結合からなるジョセフソン素子。
  2. 【請求項２】上記微小超伝導領域は酸化物超伝導体によ
    って形成することを特徴とする請求項１に記載の多数の
    弱結合からなるジョセフソン素子。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の多数の微小弱結合からな
    るジョセフソン素子を用いた基準電圧発生装置。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の多数の微小弱結合からな
    るジョセフソン素子を用いた電磁波検出器。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の多数の微小弱結合からな
    るジョセフソン素子を用いたヘテロダイン・ミキサー。
  6. 【請求項６】請求項１に記載の多数の微小弱結合からな
    るジョセフソン素子を用いたミリ波サブミリ波信号発生
    器。
  7. 【請求項７】請求項１に記載の多数の微小弱結合からな
    るジョセフソン素子を用いた超伝導量子干渉素子（SQUI
    D）。
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