JP2610427B2 - Superconducting device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は超電導材料を用いたレーザ発振装置に関す
る。The present invention relates to a laser oscillation device using a superconducting material.
「従来の技術」 従来、超電導材料を用いたアクティブ素子としては、
ジョセフソン接合素子のみが知られる。これまでは、こ
の素子を用いて電気的な論理回路およびメモリ等への応
用のみが検討されていた。"Conventional technology" Conventionally, as an active element using a superconducting material,
Only Josephson junction elements are known. Heretofore, only application to electrical logic circuits and memories using this element has been studied.
「従来の問題点」 特にこのジョセフソン素子は超高速動作をするため、
電気的なスイッチング素子としての有効利用が考えられ
るのみであった。"Conventional problems" Especially since this Josephson device operates at a very high speed,
Only effective use as an electrical switching element was conceivable.
本発明人はかかるジョセフソン接合型の動作を調べて
いくうち、この接合を利用してレーザ発光をさせ得るこ
とを見出した。The present inventor has found out that the laser can be emitted by utilizing this junction while examining the operation of the Josephson junction type.
本発明はかかるレーザ光（実際には赤外線）装置を提
供するにある。The present invention is to provide such a laser light (actually infrared) device.
「問題を解決する手段」 本発明はかかる問題を解決するもので、ジョセフソン
接合素子において、一対を構成する電極の上面および下
面以外の端面に対し、鏡（ミラー）を配設する。そして
その１つの端面の鏡をハーフミラーとすることにより、
そこよりレーザ光を外部に発生させんとするものであ
る。"Means for Solving the Problem" The present invention solves such a problem. In a Josephson junction device, a mirror is provided on an end surface other than the upper surface and the lower surface of a pair of electrodes. And by making the mirror on one end face a half mirror,
From there, laser light is generated outside.
即ち、本発明は、超電導材料、特にTcが75K以上の高
温で動作する酸化物超電導材料を用いてレーザ光を発振
させんとするものである。That is, in the present invention, laser light is oscillated using a superconducting material, particularly an oxide superconducting material that operates at a high temperature of 75 K or more.
第１図は、本発明に用いるためのジョセフソン接合素
子を示す。即ち、下側の第１の超電導材料（１），トン
ネル電流を流し得る厚さの透光性被膜（透光性、特にレ
ーザ光の吸収損失の少ない材料が選ばれる）（２），さ
らにその上に第２の超電導材料（３）を設け、その上下
の超電導材料に一対の電気エネルギ供給手段（15），
（16）を設けている。FIG. 1 shows a Josephson junction element for use in the present invention. That is, a lower first superconducting material (1), a light-transmitting film having a thickness capable of flowing a tunnel current (a material having a light-transmitting property, in particular, a material having a small absorption loss of laser light is selected) (2), and the like. A second superconducting material (3) is provided thereon, and a pair of electric energy supply means (15),
(16) is provided.
かかる超電導材料のエネルギバンド図を第２図に示
す。FIG. 2 shows an energy band diagram of such a superconducting material.
第２図（Ａ）は外部電圧の印加のない場合、または弱
い電圧の印加がある場合である。図面において、超電導
材料（１），（３），その間に介在した透光性被膜
（２）を有する。FIG. 2A shows a case where no external voltage is applied or a case where a weak voltage is applied. In the drawing, there are superconducting materials (1) and (3) and a translucent coating (2) interposed therebetween.
これはフェルミ面（７）と通常の伝導帯（６）とを有
する。そしてレベル（４）には凝縮したクーパーペァの
レベル（５）を有する。ここで双方の超電導材料
（１），（３）に電圧を加えると、ある電圧まではそれ
ぞれの間に電位差を生ぜず、電子対は自由電子のように
流れ、量子力学の波動性により、被膜（２）中をトンネ
ル効果により通り抜ける。It has a Fermi surface (7) and a normal conduction band (6). The level (4) has a condensed Cooper pair level (5). When a voltage is applied to both superconducting materials (1) and (3), a potential difference does not occur between them until a certain voltage, and the electron pairs flow like free electrons. (2) It passes through the inside by the tunnel effect.
ここに、より高い交流またはパルス電圧を印加する
と、この左右の超電導体間に電位差（ΔＶ）が生ずる。
この時、例えば、第１の超電導材料（１）より第２の超
電導材料（３）に電子対が移る場合、「エネルギ保存の
法則」により光（10）を発光する。When a higher AC or pulse voltage is applied here, a potential difference (ΔV) occurs between the left and right superconductors.
At this time, for example, when an electron pair is transferred from the first superconducting material (1) to the second superconducting material (3), light (10) is emitted according to the “law of conservation of energy”.
この波長は、 ｈν＝2eΔＶ で示される。 This wavelength is represented by hν = 2eΔV.
ここではh:プランクの定数 e:電気素量 ΔV:電位差 ν：光の振動数 さらにここに交流を加え、その電位差（ΔＶ）を大き
くすると、最大Ｖ（通常の金属の伝導帯の下側と凝縮し
たクーパーペァのレベル（４）との差）までの電位差を
生ぜしめ得る。そしてそれに対応した波長の光（10）を
発光し得る。酸化物超電導体はTcoが約100Kを有するた
め、波長λ（1/νでも示される）も10-6cm-1程度の波長
を得ることができる。Here, h: Planck's constant e: Elementary charge ΔV: Potential difference ν: Frequency of light Further, when an alternating current is applied and the potential difference (ΔV) is increased, the maximum V (the lower side of the normal metal conduction band) (Difference from the condensed Cooper pair level (4)). And the light (10) of the wavelength corresponding to it can be emitted. Since the oxide superconductor has a Tco of about 100 K, a wavelength λ (also indicated by 1 / ν) can be obtained at a wavelength of about 10 −6 cm −1 .
またここで外部より印加した電圧を可変すると、結果
として発光波長をも可変し得る。If the voltage applied from outside is changed here, the emission wavelength can be changed as a result.
一般にレーザ発光は、逆転分野が必要であることが知
られている。しかし本発明においては、第２図（Ｂ）に
示す如く、右側の超電導材料はクーパーペァの多い超電
導材料を用い、また左側の超電導材料中には不純物を多
くしてクーパーペァを少なくせ、容易にかかる逆転分布
を成就し得る。It is known that laser emission generally requires a reversal field. However, in the present invention, as shown in FIG. 2 (B), the superconducting material on the right side uses a superconducting material having a large number of cooper pairs, and the superconducting material on the left side contains a large amount of impurities to reduce the number of cooper pairs, thereby facilitating the operation. An inversion distribution can be achieved.
第３図にこの原理を用いた本発明のレーザ発振器を示
す。この図面は第１および第２の酸化物超電導体
（１），（３）を有する。そしてその間にはトンネル電
流を流し得る絶縁体（２）を設けている。その端部の３
方はミラー（鏡）（12）にて取り囲み、光が外部にもれ
ないようにしている。また内部で発光した光を100％効
率よく反射するようにしている。FIG. 3 shows a laser oscillator of the present invention using this principle. This drawing has first and second oxide superconductors (1), (3). An insulator (2) through which a tunnel current can flow is provided therebetween. 3 at its end
The other side is surrounded by a mirror (mirror) (12) to prevent light from leaking to the outside. The light emitted inside is reflected 100% efficiently.
他の一端部は光の透過が多少あるハーフミラー（11）
を設けていく。The other end is a half mirror with some light transmission (11)
Will be established.
ここにおいて、電気供給端子（15），（16）に強い電
圧を印加する。するとこの超電導体の中で発光した光は
ミラー（11），（12）で反射し、外部に光をリークでき
ない。そしてこの外部より加えられた電圧によって決め
られるΔＶによって定められた波長の光をより高密度化
し、臨界状態においてハーフミラー（11）を透過して発
光をさせることができる。Here, a strong voltage is applied to the electric supply terminals (15) and (16). Then, the light emitted in the superconductor is reflected by the mirrors (11) and (12), and the light cannot leak to the outside. Then, the light having the wavelength determined by ΔV determined by the voltage applied from the outside can be made higher in density, and can be emitted through the half mirror (11) in the critical state.
以下に図面に従ってその実施例を示す。 An embodiment will be described below with reference to the drawings.
「実施例１」 第１図に本発明で用いるジョセフソン素子型レーザ発
振器を示す。Embodiment 1 FIG. 1 shows a Josephson device type laser oscillator used in the present invention.
酸化物超電導材料として、例えば、(A1-xBx)yCuzOw,x
＝０〜1,y＝2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z＝１〜４好
ましくは1.5〜3.5,W＝４〜10好ましくは６〜８を有す
る。ＡはＹ（イットリウム）,Gd（ガドリニウム）,Yb
（イッテルビウム）,Eu（ユーロピウム）,Tb（テルビウ
ム）,Dy（ジスプロシウム）,Ho（ホルミウム）,Er（エ
ルビウム）,Tm（ツリウム）,Lu（ルテニウム）,Sc（ス
カンジウム）またはその他の元素周期表IIIa族の１つま
たは複数種類より選ばれる。ＢはRa（ラジウム）,Ba
（バリウム）,Sr（ストロンチウム）,Ca（カルシウムMg
（マグネシウム）,Be（ベリリウム）の元素周期表IIa族
より選ばれる。特に、その具体例として、(YBa2)Cu3O6
〜８を用いた。As an oxide superconducting material, for example, (A 1-x Bx) y CuzOw, x
= 0 to 1, y = 2.0 to 4.0, preferably 2.5 to 3.5, z = 1 to 4, preferably 1.5 to 3.5, and W = 4 to 10, preferably 6 to 8. A is Y (yttrium), Gd (gadolinium), Yb
(Ytterbium), Eu (europium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Lu (ruthenium), Sc (scandium) or other periodic table IIIa Selected from one or more members of the family. B is Ra (Radium), Ba
(Barium), Sr (strontium), Ca (calcium Mg)
(Magnesium) and Be (beryllium) are selected from Group IIa of the periodic table. In particular, as a specific example, (YBa 2 ) Cu 3 O 6
To 8 were used.
この超電導材料は単結晶であることが好ましい。 This superconducting material is preferably a single crystal.
このため、YSZ,rTiO3等の基板上にスパッタ法を用い
たエピタキシャル成長法を用いることも有効である。ま
たブリッジマン法等により単結晶のタブレットを作るこ
とも有効である。For this reason, it is also effective to use an epitaxial growth method using a sputtering method on a substrate such as YSZ or rTiO 3 . It is also effective to make a single crystal tablet by the Bridgman method or the like.
これらに対し、この後透光性被膜を構成させるため、
例えば金属のアルミニウム、タンタルまたは半導体の珪
素を真空蒸着法または光CVD法を用い、５〜50Å例えば1
0Åの厚さに形成した。さらにこれら全体を400〜1000
℃,1〜100時間、例えば600℃で５時間アニールをし、同
時に金属アルミニウム、タンタルまたは半導体の珪素を
酸化させた。On the other hand, in order to form a translucent film after this,
For example, aluminum of metal, tantalum or silicon of semiconductor is vacuum-evaporated or photo-CVD, and 5 to 50 °
It was formed to a thickness of 0 °. In addition, 400-1000
Annealing was carried out at 1 ° C. for 1 to 100 hours, for example, at 600 ° C. for 5 hours, and at the same time, metal aluminum, tantalum or silicon of a semiconductor was oxidized.
すると例えば、アルミニウムを用いる場合、この結果
形成された酸化アルミニウムの下側の酸化物超電導材料
の表面近傍における酸素濃度を、内部（バルク）と概略
同一とすることができ、表面においても超電導特性を有
せしめ得る。Then, for example, in the case of using aluminum, the oxygen concentration in the vicinity of the surface of the oxide superconducting material below the aluminum oxide formed as a result can be substantially the same as that of the inside (bulk), and the superconducting property is also improved on the surface. I can do it.
さらにこの表面にスパッタ法、気相法、スクリーン印
刷法等により第２の超電導材料（３）を第１の超電導材
料と同一主成分材料により形成させた。Further, a second superconducting material (3) was formed on the surface by the same main component material as the first superconducting material by a sputtering method, a vapor phase method, a screen printing method or the like.
次にこれらをフォトエッチング法により、第３図にく
示す如く、その周辺部に対し損傷を与えることなくエッ
チングし、透光性被膜の端面を露呈させた。さらにこの
表面における３方を光を完全に遮蔽し100％反射するミ
ラーを銀またはアルミニウムにより形成した。Next, these were etched by a photoetching method without damaging the periphery thereof as shown in FIG. 3, thereby exposing the end faces of the translucent film. Further, a mirror which completely shields light on three sides of the surface and reflects 100% was formed of silver or aluminum.
この時、銀またはアルミニウムと酸化物との間の反応
を防ぐため、透光性酸化物を５〜50Åの厚さに形成して
もよい。かかる端面（１）はハーフミラーをこれら銀ま
たはアルミニウムの周りに30〜300Å例えば50Åの厚さ
に形成した。At this time, a light-transmitting oxide may be formed to a thickness of 5 to 50 ° to prevent a reaction between silver or aluminum and the oxide. The end face (1) has a half mirror formed around these silver or aluminum with a thickness of 30 to 300 mm, for example, 50 mm.
かくして第３図の超電導材料を用いたレーザ発振器を
作ることができた。Thus, a laser oscillator using the superconducting material shown in FIG. 3 was produced.
さらにここに電圧を印加した。そしてこのΔＶ（第２
図に示す）として数十mVを印加し、ハーフミラーにより
赤外線の反射を観察することができた。またTcoとして
室温またはそれ以上での温度を有せしめることが可能で
あるならば、可視光の発光も不可能ではない。Further, a voltage was applied here. And this ΔV (second
(Shown in the figure), several tens of mV was applied, and reflection of infrared rays could be observed with a half mirror. If Tco can be set to a temperature at room temperature or higher, emission of visible light is not impossible.
この特性は酸化物セラミックスのTcoの向上ととも
に、可視光またはそれに近い波長の光を発光させ得る。
またレーザ光の発光を、透光性被膜特に酸化物または窒
化物絶縁膜の作製により、連続発振または電気エネルギ
の光エネルギへの変換効率の向上を行い得る。This property enables emission of visible light or light having a wavelength close to visible light as well as improvement in Tco of the oxide ceramic.
In addition, continuous light emission or conversion efficiency of electric energy to light energy can be improved by forming a light-transmitting film, particularly an oxide or nitride insulating film, for emitting laser light.
本発明の第３図において、第１の酸化物超電導性材料
を基板として用いた場合を示し、発光面はこの基板と平
行方向に発光させた。しかし基板をYSZ等の絶縁物基板
とし、ここに薄膜状に選択的に第１の超電導材料を形成
し、超電導レーザの集積化構成をさせることもできる。
また光を基板と垂直方向に発光させてもよい。FIG. 3 of the present invention shows a case where the first oxide superconducting material is used as a substrate, and the light emitting surface emits light in a direction parallel to the substrate. However, the substrate may be an insulating substrate such as YSZ or the like, and the first superconducting material may be selectively formed in a thin film on the substrate to form an integrated superconducting laser.
Light may be emitted in a direction perpendicular to the substrate.
「効果」 本発明により、電圧に依存するレーザ光の発光が可能
となった。さらにこのレーザ光の発光を固体素子として
行い得る。[Effects] According to the present invention, it is possible to emit laser light depending on voltage. Further, the emission of the laser light can be performed as a solid state device.
このため、これまで知られていた半導体レーザにおい
ては固体電子ディバイスという特長を有しながら特定の
波長しか発光できなかったが、これとは異なる分野への
新しい応用が可能であろう。For this reason, conventionally known semiconductor lasers can emit light only at a specific wavelength while having the feature of a solid-state electronic device, but new applications to fields different from this are possible.
また波長の可変するレーザとして色素レーザまた色中
心レーザが知られている。しかしこれらは回析格子等の
波長可変素子を必要とし、制御が不便である。この点、
本発明は印加する電圧／電流により精密に制御し得る。Dye lasers and color center lasers are also known as lasers with variable wavelengths. However, these require a wavelength variable element such as a diffraction grating and are inconvenient to control. In this regard,
The present invention can be precisely controlled by the applied voltage / current.
第１図は本発明に用いるジョセフソン接合素子の縦断面
図を示す。 第２図は本発明の発光の動作原理を示す。 第３図は本発明の超電導素子を用いたレーザ発振器の斜
視図を示す。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a Josephson junction element used in the present invention. FIG. 2 shows the operating principle of light emission according to the present invention. FIG. 3 is a perspective view of a laser oscillator using the superconducting element of the present invention.
Claims (2)
と、 を有するジョセフソン接合型素子において、 前記素子の端面にはレーザー共鳴用鏡が設けられてお
り、 前記第１の超電導材料に比較して前記第２の超電導材料
中には不純物が多く含まれていることを特徴とする超電
導装置。1. A Josephson junction type device comprising: a first and a second superconducting material; and a coating having a thickness capable of flowing a tunnel current interposed therebetween, wherein a laser resonance mirror is provided on an end face of the device. A superconducting device, wherein the second superconducting material contains more impurities than the first superconducting material.
料は酸化物超電導材料よりなることを特徴とする超電導
装置。2. The superconducting device according to claim 1, wherein the superconducting material is made of an oxide superconducting material.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP62097975A JP2610427B2 (en) | 1987-04-20 | 1987-04-20 | Superconducting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62097975A JP2610427B2 (en) | 1987-04-20 | 1987-04-20 | Superconducting device |
Publications (2)
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| JPS63262881A JPS63262881A (en) | 1988-10-31 |
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| JP62097975A Expired - Fee Related JP2610427B2 (en) | 1987-04-20 | 1987-04-20 | Superconducting device |
Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63263783A (en) * | 1987-04-22 | 1988-10-31 | Hitachi Ltd | Superconducting light emitting element |
Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE2832122A1 (en) * | 1978-07-21 | 1980-01-31 | Kraftwerk Union Ag | MEASURING LAMP FOR BOILING WATER CORE REACTORS |
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1987
- 1987-04-20 JP JP62097975A patent/JP2610427B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63262881A (en) | 1988-10-31 |
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