JP3851714B2 - High temperature superconducting quantum interference device - Google Patents

Description

【０００７】
この関係に従うと、臨界電流値と接合部の電気抵抗値との積をできるだけ大きくすれば出力電圧の変化を大きくすることができ、その結果として高感度の磁気センサの実現に寄与することができる。そこで、従来から、接合部の電気抵抗値を高めること、それによって臨界電流値と接合部の電気抵抗値との積の値を大きくすることが試みられている。
【０００８】
たとえば、基板の接合部の両側で結晶方位が異なる角度（接合角度）θが２４°の場合には、上記のＩ₀ Ｒ_S の積が１００μＶよりも高いものが得られている。しかしながら、この場合、接合部の電気抵抗値が小さく、通常の製造プロセスによれば典型的には２Ωであった。ある特殊な製造技術を用いると、接合部の電気抵抗が１０Ω程度の高い値を示すことが報告されているが、その製造技術の詳細は明らかにされていない。
【０００９】
また、接合角度θが３６．８°の場合には、１０Ωという接合部の高い電気抵抗値を容易に得ることができる。ところが、この場合、Ｉ₀ が小さくなるため上記のＩ₀ Ｒ_S の積が小さく、典型的には６０μＶ程度であった。
【００１０】
したがって、接合部の電気抵抗値が１０Ωであり、Ｉ₀ Ｒ_S の積が１５０μＶを超える超伝導量子干渉素子を実現することは困難であった。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、高感度の磁気センサを実現することが可能な超伝導量子干渉素子の構造を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、鋭意検討した結果、接合部の電気抵抗値が従来に比べて大幅に高い値を示すバイクリスタル基板の接合角度θの特異点を見い出した。この発明は、上記の発明者らの知見に基づいてなされたものである。
【００１３】
この発明に従った高温超伝導量子干渉素子は、バイクリスタル基板と、高温超伝導薄膜とを備えている。バイクリスタル基板は、結晶方位の異なる第１と第２の基板が接合されて形成され、その第１と第２の基板の間に基板接合部を有する。高温超伝導薄膜は、バイクリスタル基板に接するように形成され、基板接合部の直上に粒界からなるジョセフソン接合を有する。第１と第２の基板は、基板接合部の両側で互いに３０°異なる結晶方位を有する。出力電圧の変化（ΔＶ）と、臨界電流値（Ｉ ₀ ）と、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ _S ）と、接合角度（θ）とが以下の式を満たす。
ΔＶ∝Ｉ ₀ Ｒ _S
Ｉ ₀ ∝ｅｘｐ（−ｋθ） （ｋは定数）
３０°の接合角度におけるジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ _S ）が、Ｒ _S ∝ｅｘｐ（ｋθ／２）の式で示す電気抵抗値より高い値を示す特異点となる。
【００１４】
基板の材料としてはＳｒＴｉＯ₃ 、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ₃ 、ＮｄＧａＯ₃ 、イットリウム安定化ジルコニアのいずれか１種の材料を用いるのが好ましい。
【００１５】
高温超伝導薄膜は、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのいずれか１種の元素を含むのが好ましい。
【００１６】
特に好ましくは、基板の材料としてＳｒＴｉＯ₃ が用いられ、高温超伝導薄膜の材料としてＹ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）が用いられる。
【００１７】
以上のように構成された本発明の高温超伝導量子干渉素子においては、バイクリスタル基板を構成する２つの基板は、基板接合部の両側で互いに３０°異なる結晶方位を有する。この３０°という接合角度でバイクリスタル基板を構成し、その上に高温超伝導薄膜を形成すると、ジョセフソン接合部の電気抵抗値が非常に高い値を示す。その結果として、臨界電流値と接合部の電気抵抗値との積が従来よりも非常に高い値を示す。これにより、本発明の高温超伝導量子干渉素子の出力電圧の変化は、従来のものに比べて非常に高い値を示す。したがって、本発明の高温超伝導量子干渉素子を用いると極めて高感度な磁気センサを実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施の形態として高温超伝導量子干渉素子の概略的な構成を示す斜視図である。図３は、バイクリスタル基板の接合部の間で異なる結晶方位の関係を示す図である。
【００１９】
図１を参照して、ＳｒＴｉＯ₃ からなるバイクリスタル基板１の上に所定のパターンに従ったＹ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）からなる高温超伝導薄膜２が形成されている。バイクリスタル基板１は、接合部１３の間で互いに結晶方位の異なる２つの基板１１と１２から構成される。高温超伝導薄膜２はループ部２１を備えている。ループ部２１は、２つのジョセフソン接合部２２と２３が並列に接続されて形成されている。ジョセフソン接合部２２と２３は基板の接合部１３の直上に位置し、高温超伝導薄膜２の粒界から形成される。ループ部２１は、超伝導薄膜が形成されていない領域、すなわちホール部２４を囲んでいる。以上のように高温超伝導量子干渉素子が構成されている。
【００２０】
臨界電流値を超えるバイアス電流Ｉｂが矢印で示すように素子に印加されると、ホール部２４を貫通する微小な磁場が電極部２５と２６との間で発生する電圧の変化として測定される。
【００２１】
ここで、図３を参照して、バイクリスタル基板１を構成する２つの基板１１と１２は、接合部１３を介して互いに角度θだけ結晶方位が異なっている。基板１１は、結晶のａ軸またはｂ軸として図３に示すような方向を有している。一方、基板１２は、結晶のａ軸またはｂ軸として図３に示すような方向を有している。基板１１のａ軸またはｂ軸は基板１２のａ軸またはｂ軸と角度θをなして交差する。この発明で用いられるバイクリスタル基板ではθは３０°である。
【００２２】
【実施例】
図１に示される、基板の接合角度θが３０°の本発明の高温超伝導量子干渉素子を以下のようにして製造した。
【００２３】
まず、ＳｒＴｉＯ₃ 基板を準備した。この基板を所定の方向に沿って切り出すことにより、バイクリスタル基板を構成する２つの基板を作製した。すなわち、図３に示すように一方の基板１１は、切り出された面が接合部１３を形成し、結晶のａ軸またはｂ軸として［１００］方向が接合面の垂線に対して角度θ／２＝１５°だけ傾くように接合面が切り出された。他方の基板１２では、結晶のａ軸またはｂ軸として［１００］方向が接合面の垂線に対して角度θ／２＝１５°だけ傾斜するように接合面が切り出された。ここで基板の上面は（００１）面であった。このようにして作製された２つの基板１１と１２を接合することによりバイクリスタル基板１を準備した。
【００２４】
ＳｒＴｉＯ₃ からなるバイクリスタル基板１の上に高温超伝導薄膜としてＹ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）の薄膜をパルスレーザアブレーション法を用いて形成した。超伝導薄膜の厚みは１５０ｎｍであった。薄膜の形成条件は以下のとおりである。レーザはＫｒＦエキシマレーザを用い、パルスエネルギを１ショット当り約１００ｍＪとし、繰返し周波数を１Ｈｚ、基板はＳｉＣヒータからの放射によって加熱され、基板温度を７１５℃とし、酸素圧を４５Ｐａ、酸素ガスの流速を４０ｃｃｍとした。このようにしてＳｒＴｉＯ₃ 基板の上に形成されたＹ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）の薄膜は良好な超伝導特性を示し、その臨界温度Ｔｃは９３Ｋであり、接合部でない部分上の膜では、その臨界電流密度Ｊｃは温度７７Ｋで４×１０⁶ Ａ／ｃｍ² であった。
【００２５】
比較のため、接合角度θが３０°のバイクリスタル基板に対して、２４°、３６．８°のバイクリスタル基板も準備した。
【００２６】
図２は、本発明の１つの実施例として高温超伝導量子干渉素子に形成された高温超伝導薄膜のパターン形状と寸法を示す平面図である。
【００２７】
上述のようにして形成された高温超伝導薄膜は、フォトリソグラフィ技術を用いて図２に示す形状と寸法に従ってエッチングによってパターニングされた。ループ部２１のインダクタンスとして３種類の値を有する超伝導薄膜をそれぞれ形成した。すなわち、ループ部２１のインダクタンスが６０ｐＨの超伝導量子干渉素子を形成する場合には、図２において寸法ｄを６０μｍとし、インダクタンスが１００ｐＨの場合には寸法ｄを１３０μｍとし、インダクタンスが１６０ｐＨの場合には寸法ｄを２３６μｍとして３種類の素子を作製した。なお、図２に示すようにジョセフソン接合部２２と２３を形成する超伝導薄膜の幅は２μｍとした。
【００２８】
図４は、以上のようにして作製された超伝導量子干渉素子においてホール部に与えられる磁場（Φ_e ）の変化に対する出力電圧（Ｖ）の変化（ΔＶ）の測定結果を示す図である。基板の接合角度θが３０°、３６．８°、２４°についてそれぞれ素子を作製し、ホール部に与える磁場を変化させて出力電圧を測定した。ループ部のインダクタンスＬ_S は６０ｐＨとした。測定条件は、温度７７Ｋで、外部磁場の影響を防止するために素子をパーマロイからなる円筒状の磁気シールド体の中で液体窒素中に浸漬して行なわれた。
【００２９】
図４から明らかなように、従来の接合角度θが２４°と３６．８°のバイクリスタル基板を用いたものに比べて、本発明の接合角度θが３０°のバイクリスタル基板を用いた超伝導量子干渉素子では大幅に高い出力電圧の変化、８５μＶを示した。この場合、素子の感度は図４における曲線の傾きに相当する。なお、図４においてΦ₀ は磁束量子を示す。
【００３０】
ところで、Z. G. IvanovらによってAppl. Phys. Lett. 59（23）, 2 December 1991 pp. 3030-3032 やJ. Apply. Phys. 75（12）, 15 June 1994 pp. 7972-7977で報告されているように、超伝導量子干渉素子の臨界電流密度（Ｉ₀ ）と基板の接合角度（θ）との間には以下の式で表わされる関係がある。
【００３１】
【数２】

【００３２】
なお、ｋは定数である。
また、R. GrossらによってPhysica C 180 （1991） pp. 235-242 Sorth-Hollandで報告されているように、臨界電流密度（Ｉ₀ ）とジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）とは以下の式で示される関係を有する。
【００３３】
【数３】

【００３４】
さらに、式（２）と式（３）とによって以下の式が導き出され得る。
【００３５】
【数４】

【００３６】
本願発明者らは、上記の式（２）と式（４）の関係を確認するために、上述のようにして作製された基板の接合角度θが異なる３種類のバイクリスタル基板を用いて超伝導量子干渉素子を作製した。
【００３７】
図５の（Ａ）は、臨界電流密度（Ｉ₀ ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図、図５の（Ｂ）はジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図である。図５の（Ａ）において示される直線は式（２）の関係を示し、図５の（Ｂ）で示される直線は式（４）の関係を示している。上述のようにして作製された超伝導量子干渉素子を用いて測定された結果は黒四角の印でプロットされている。
【００３８】
図５から明らかなように、臨界電流（Ｉ₀ ）は基板の接合角度（θ）に対して式（２）で示される関係をほぼ満たすことが確認されたが、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）は、基板の接合角度（θ）が３０°において式（４）の関係を満たさず、かなり高い値を示すことが確認された。なお、ジョセフソン接合部の超伝導薄膜の幅（ｗ）は２μｍとした。
【００３９】
基板の接合角度（θ）が３０°のときに高い出力電圧の変化（ΔＶ）を示すのは（図４参照）、図５の（Ｂ）で示されるように接合角度（θ）が３０°のときに高い抵抗値（Ｒ_S ）を示すことに基づくものである。たとえば、接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）が１０Ωのとき、臨界電流値（Ｉ₀ ）と接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）の積Ｉ₀ Ｒ_S は２５０μＶであった。
【００４０】
以上のように、本発明に従って基板の接合角度（θ）を３０°にすることにより、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）が極めて高い値を示す特異点が得られ、接合部の電気抵抗値が１０Ωを超えることが可能となり、積Ｉ₀ Ｒ_S が１５０μＶを超えることが可能な超伝導量子干渉素子を実現することができた。
【００４１】
また、ループ部のインダクタンス（Ｌ_S ）に対する出力電圧の変化（ΔＶ）についても測定された。図６は、基板の接合角度（θ）が３０°のときにループ部のインダクタンス（Ｌ_S ）を変化させて温度７７Ｋの条件で出力電圧の変化（ΔＶ）を測定した結果を示す図である。この図によれば、ループ部のインダクタンスを小さくすればするほど出力電圧の変化を大きくすることができることがわかる。すなわち、ループ部の径を小さくすれば、出力電圧の変化は大きくなる。しかしながら、ループ部の径を小さくすると、そのループ部の中に取込まれる磁束が少なくなるため、素子の感度は低下する。したがって、実際にはループ部の径を小さくするだけで、すなわち図２で示される寸法ｄを小さくするだけで素子の感度を高めることは困難である。
【００４２】
なお、図６において示される曲線は以下の理論式に基づく。
【００４３】
【数５】

【００４４】
式（５）においてΔＶは出力電圧の変化、βはインダクタンスパラメータであり、β＝２Ｌ_S Ｉ₀ ／Φ₀ で表わされ、ｋ_B はボルツマン定数、Φ₀ は磁束量子である。図６の曲線は、臨界電流値（Ｉ₀ ）を２５μＡ、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）を１０Ωとして計算した結果を示している。図６から明らかなように、実験値として示された黒丸のプロットは理論式の曲線とほぼ一致している。
【００４５】
さらに、上述のように本発明に従って作製された基板の接合角度（θ）が３０°の超伝導量子干渉素子を用いてノイズ特性を調べた。図７はその測定結果を示す。図７において横軸は与えられる周波数を示し、縦軸はその周波数によって生ずる磁束ノイズの大きさを示している。白色ノイズレベル（図７の右側）では８μΦ₀ ／Ｈｚ^1/2 程度のノイズが測定され、周波数が１Ｈｚでは７０μΦ₀ ／Ｈｚ^1/2 程度のノイズが測定された。このノイズの測定は、素子をパーマロイからなる円筒の磁気シールド体の内部に置き、液体窒素中で浸漬した状態で行なわれた。
【００４６】
測定された磁束ノイズは低周波数領域では、いわゆる１／ｆノイズを示しているが、この低周波数領域のノイズは、いわゆる交流バイアス方法を用いるとさらに減少させることができるであろう。また、図７で示される測定結果は回路のノイズと環境ノイズの影響を受けているので、超伝導量子干渉素子自身の真のノイズはその測定結果よりもさらに低いものと考えられる。
【００４７】
なお、上述の実施例では基板の材料としてＳｒＴｉＯ₃ を用いたが、これ以外の材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ₃ 、ＮｄＧａＯ₃ 、イットリウム安定化ジルコニアなどの材料からなる基板を用いても上述の本発明の作用効果を期待することができる。
【００４８】
また、上述の実施例では高温超伝導薄膜の材料としてＹ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）を用いたが、これ以外の酸化物高温超伝導材料から薄膜を形成しても上述の本発明の作用効果を期待することができる。特に、酸化物高温超伝導材料は、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂなどのいずれかの元素を含んでいてもよい。なお、Ｙ系以外の酸化物高温超伝導材料から薄膜を形成しても、本発明の作用効果を期待することができる。
【００４９】
本発明の超伝導量子干渉素子で用いられるバイクリスタル基板の接合角度（θ）は３０°と限定しているが、上述で示された作用効果を達成することが可能な範囲内での接合角度の許容差を含むものである。
【００５０】
以上に開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての実施の形態と実施例の修正や変形を含むものである。
【００５１】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、与えられる磁場の変化に対して大きな出力電圧の変化を示す超伝導量子干渉素子を得ることができ、この素子を用いることによって生体磁場等の超微小な磁場を計測する高感度な磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１つの実施の形態として高温超伝導量子干渉素子を示す斜視図である。
【図２】この発明の一実施例で作製された高温超伝導量子干渉素子で形成された超伝導薄膜のパターン形状と寸法を示す平面図である。
【図３】この発明の高温超伝導量子干渉素子で用いられるバイクリスタル基板での基板間の結晶方位の関係の一例を示す図である。
【図４】この発明の一実施例で得られた磁場の変化と出力電圧の変化との関係を示す図である。
【図５】（Ａ）は臨界電流値（Ｉ₀ ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図、（Ｂ）はジョセフソン接合部の電気抵抗値（Ｒ_S ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図である。
【図６】出力電圧の変化（ΔＶ）と超伝導ループ部のインダクタンス（Ｌ_S ）との関係を示す図である。
【図７】この発明の一実施例で得られた高温超伝導量子干渉素子のノイズ特性の測定結果を示す図である。
【図８】従来から知られている一般的な超伝導量子干渉素子の概略的な構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１ バイクリスタル基板
２ 高温超伝導薄膜
１１，１２ 基板
１３ 基板の接合部
２１ ループ部
２２，２３ ジョセフソン接合部
２４ ホール部
２５，２６ 電極部
θ バイクリスタル基板の接合角度[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting quantum interference device (SQUID) capable of detecting a very small magnetic field, and in particular, to realize a magnetic sensor for measuring a biomagnetic field such as a brain magnetic field or a cardiac magnetic field with high sensitivity. The present invention relates to a possible high temperature superconducting quantum interference device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, superconducting electronics elements have been developed by applying the Josephson effect. In particular, a superconducting quantum interference device using the DC Josephson effect can detect a very small magnetic field. By using this superconducting quantum interference device, it is possible to realize a magnetic sensor that measures a minute magnetic field such as a brain magnetic field or a cardiac magnetic field with high sensitivity. Therefore, a high-temperature superconducting quantum interference device has been studied in order to realize a high-sensitivity magnetic sensor that operates at a temperature of 77 K using a high-temperature superconductor.
[0003]
FIG. 8 is a plan view showing a schematic structure of the superconducting quantum interference device. Referring to FIG. 8, high temperature superconducting thin film 100 is formed on a substrate. The high-temperature superconducting thin film 100 includes a loop portion 101 of a superconducting quantum interference device, that is, a superconducting loop. The loop portion 101 is formed by connecting two Josephson junction portions 102 and 103 in parallel. Josephson junctions 102 and 103 are formed from the grain boundaries of the high-temperature superconducting thin film. A substrate junction exists directly below the Josephson junctions 102 and 103. In other words, the substrate is formed of two crystal substrates, ie, so-called bicrystal substrates, whose crystal orientations are different from each other by an angle θ on both sides of the joint.
[0004]
The loop portion 101 formed by connecting the two Josephson junction portions 102 and 103 in parallel surrounds the region where the high-temperature superconducting thin film is not formed, that is, the hole portion 104. When the current applied to the superconducting quantum interference device from the outside exceeds the critical current value, the magnetic flux enters and exits the Josephson junctions 102 and 103 to change the magnetic flux penetrating the hole 104 and generate a voltage. That is, when a bias current Ib exceeding the critical current value in FIG. 8 is applied to the superconducting quantum interference device, a voltage is generated by the magnetic field penetrating the hole 104, and the voltage is output between the ends 105 and 106. Measured as voltage. This output voltage is modulated in accordance with the change of a very small magnetic field penetrating the hole portion 104, that is, modulated in units of the quantized magnetic flux Φ ₀ . Therefore, an ultra-fine magnetic field can be detected by measuring the output voltage.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to realize a highly sensitive magnetic sensor using the superconducting quantum interference device configured as described above, it is necessary to obtain a large change in output voltage with respect to a change in magnetic field in units of quantized magnetic flux. It has been conventionally said that the change in output voltage (ΔV) is proportional to the product of the critical current value (I ₀ ) and the electrical resistance value (R _S ) of the Josephson junction. This relationship is expressed by the following equation.
[0006]
[Expression 1]

[0007]
According to this relationship, if the product of the critical current value and the electrical resistance value of the junction is made as large as possible, the change in the output voltage can be increased, and as a result, it can contribute to the realization of a highly sensitive magnetic sensor. . Therefore, conventionally, attempts have been made to increase the electrical resistance value of the junction, thereby increasing the product of the critical current value and the electrical resistance value of the junction.
[0008]
For example, when the angle (bonding angle) θ at which the crystal orientations differ on both sides of the bonded portion of the substrate is 24 °, a product with the above I ₀ R _S higher than 100 μV is obtained. However, in this case, the electrical resistance value of the joint is small, and typically 2Ω according to the normal manufacturing process. Although it has been reported that the electrical resistance of the junction shows a high value of about 10Ω when a specific manufacturing technique is used, details of the manufacturing technique are not disclosed.
[0009]
Moreover, when the junction angle θ is 36.8 °, a high electrical resistance value of the junction of 10Ω can be easily obtained. However, in this case, since I ₀ becomes small, the product of the above I ₀ R _S is small, typically about 60 μV.
[0010]
Therefore, it has been difficult to realize a superconducting quantum interference device in which the electrical resistance value of the junction is 10Ω and the product of I ₀ R _S exceeds 150 μV.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide a structure of a superconducting quantum interference device that can realize a highly sensitive magnetic sensor.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the inventors of the present application have found a singular point of the junction angle θ of the bicrystal substrate in which the electrical resistance value of the joint portion is significantly higher than that of the conventional one. The present invention has been made based on the above-mentioned findings of the inventors.
[0013]
A high-temperature superconducting quantum interference device according to the present invention includes a bicrystal substrate and a high-temperature superconducting thin film. The bicrystal substrate is formed by bonding first and second substrates having different crystal orientations, and has a substrate bonding portion between the first and second substrates. The high-temperature superconducting thin film is formed so as to be in contact with the bicrystal substrate, and has a Josephson junction consisting of a grain boundary immediately above the substrate junction. The first and second substrates have crystal orientations different from each other by 30 ° on both sides of the substrate bonding portion. The change in output voltage (ΔV), the critical current value (I ₀ ), the electrical resistance value (R _S ) of the Josephson junction, and the junction angle (θ) satisfy the following expression.
ΔV∝I ₀ R _S
I ₀ ∝exp (−kθ) (k is a constant)
The electrical resistance value (R _S ) of the Josephson junction at a junction angle of 30 ° is a singular point indicating a higher value than the electrical resistance value represented by the formula of R _S ∝exp (kθ / 2).
[0014]
As the material for the substrate, it is preferable to use any one of SrTiO ₃ , MgO, LaAlO ₃ , NdGaO ₃ , and yttrium-stabilized zirconia.
[0015]
The high-temperature superconducting thin film preferably contains any one element of Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb.
[0016]
Particularly preferably, SrTiO ₃ is used as the material for the substrate, and Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _7-x (where x is 0 ≦ x <7) as the material for the high-temperature superconducting thin film.
[0017]
In the high-temperature superconducting quantum interference device of the present invention configured as described above, the two substrates constituting the bicrystal substrate have crystal orientations different from each other by 30 ° on both sides of the substrate junction. When a bicrystal substrate is formed at a junction angle of 30 ° and a high-temperature superconducting thin film is formed thereon, the electrical resistance value of the Josephson junction shows a very high value. As a result, the product of the critical current value and the electrical resistance value of the joint is much higher than before. Thereby, the change of the output voltage of the high-temperature superconducting quantum interference device of the present invention shows a very high value compared to the conventional one. Therefore, a magnetic sensor with extremely high sensitivity can be realized by using the high-temperature superconducting quantum interference device of the present invention.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a high-temperature superconducting quantum interference device as one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between different crystal orientations between the joint portions of the bicrystal substrate.
[0019]
Referring to FIG. 1, high-temperature superconductivity composed of Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _7-x (where x is 0 ≦ x <7) according to a predetermined pattern on a bicrystal substrate 1 composed of SrTiO _3. A thin film 2 is formed. The bicrystal substrate 1 includes two substrates 11 and 12 having crystal orientations different from each other between the junctions 13. The high temperature superconducting thin film 2 includes a loop portion 21. The loop portion 21 is formed by connecting two Josephson junction portions 22 and 23 in parallel. Josephson junctions 22 and 23 are located immediately above the junction 13 of the substrate, and are formed from the grain boundaries of the high-temperature superconducting thin film 2. The loop portion 21 surrounds a region where the superconducting thin film is not formed, that is, the hole portion 24. As described above, the high-temperature superconducting quantum interference device is configured.
[0020]
When a bias current Ib exceeding the critical current value is applied to the element as indicated by an arrow, a minute magnetic field penetrating the hole portion 24 is measured as a change in voltage generated between the electrode portions 25 and 26.
[0021]
Here, referring to FIG. 3, the two substrates 11 and 12 constituting the bicrystal substrate 1 have crystal orientations different from each other by an angle θ through the junction 13. The substrate 11 has a direction as shown in FIG. 3 as the a-axis or b-axis of the crystal. On the other hand, the substrate 12 has a direction as shown in FIG. 3 as the a-axis or b-axis of the crystal. The a-axis or b-axis of the substrate 11 intersects the a-axis or b-axis of the substrate 12 with an angle θ. In the bicrystal substrate used in the present invention, θ is 30 °.
[0022]
【Example】
The high-temperature superconducting quantum interference device of the present invention shown in FIG. 1 and having a substrate bonding angle θ of 30 ° was manufactured as follows.
[0023]
First, an SrTiO ₃ substrate was prepared. By cutting this substrate along a predetermined direction, two substrates constituting the bicrystal substrate were produced. That is, as shown in FIG. 3, in one substrate 11, the cut surface forms a joint portion 13, and the [100] direction is an angle θ / 2 with respect to the normal of the joint surface as the a-axis or b-axis of the crystal. The joint surface was cut out so as to be inclined by = 15 °. In the other substrate 12, the bonding surface was cut out so that the [100] direction as the a axis or the b axis of the crystal was inclined by an angle θ / 2 = 15 ° with respect to the normal to the bonding surface. Here, the upper surface of the substrate was the (001) plane. The bicrystal substrate 1 was prepared by bonding the two substrates 11 and 12 thus manufactured.
[0024]
A thin film of Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _7-x (where x is 0 ≦ x <7) was formed on the bicrystal substrate 1 made of SrTiO ₃ as a high-temperature superconducting thin film using a pulse laser ablation method. The thickness of the superconducting thin film was 150 nm. The conditions for forming the thin film are as follows. The laser is a KrF excimer laser, the pulse energy is about 100 mJ per shot, the repetition frequency is 1 Hz, the substrate is heated by radiation from a SiC heater, the substrate temperature is 715 ° C., the oxygen pressure is 45 Pa, the flow rate of oxygen gas Was 40 ccm. The thin film of Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _7-x (where x is 0 ≦ x <7) formed on the SrTiO ₃ substrate in this manner exhibits good superconducting properties, and its critical temperature Tc is The critical current density Jc was 4 × 10 ⁶ A / cm ² at a temperature of 77 K in the film on the portion that was 93 K and was not a junction.
[0025]
For comparison, a bicrystal substrate with 24 ° and 36.8 ° was also prepared for a bicrystal substrate with a bonding angle θ of 30 °.
[0026]
FIG. 2 is a plan view showing the pattern shape and dimensions of a high-temperature superconducting thin film formed on a high-temperature superconducting quantum interference device as one embodiment of the present invention.
[0027]
The high-temperature superconducting thin film formed as described above was patterned by etching according to the shape and dimensions shown in FIG. 2 using a photolithography technique. Superconducting thin films having three types of values as the inductance of the loop portion 21 were formed. That is, when forming a superconducting quantum interference device with an inductance of the loop portion 21 of 60 pH, the dimension d is 60 μm in FIG. 2, when the inductance is 100 pH, the dimension d is 130 μm, and when the inductance is 160 pH. Produced three types of elements with a dimension d of 236 μm. As shown in FIG. 2, the width of the superconducting thin film forming the Josephson junctions 22 and 23 was 2 μm.
[0028]
FIG. 4 is a diagram showing the measurement result of the change (ΔV) of the output voltage (V) with respect to the change of the magnetic field (Φ _e ) applied to the hole portion in the superconducting quantum interference device manufactured as described above. Elements were produced for substrate bonding angles θ of 30 °, 36.8 °, and 24 °, respectively, and the output voltage was measured by changing the magnetic field applied to the hole portion. The loop portion inductance L _S was 60 pH. The measurement conditions were a temperature of 77K and the element was immersed in liquid nitrogen in a cylindrical magnetic shield made of permalloy to prevent the influence of an external magnetic field.
[0029]
As is apparent from FIG. 4, the superconductivity using the bicrystal substrate of the present invention having a junction angle θ of 30 ° is higher than that of the conventional bicrystal substrate having a junction angle θ of 24 ° and 36.8 °. The conduction quantum interference device showed a significantly high output voltage change, 85 μV. In this case, the sensitivity of the element corresponds to the slope of the curve in FIG. In FIG. 4, Φ ₀ represents the magnetic flux quantum.
[0030]
By the way, ZG Ivanov et al. Reported in Appl. Phys. Lett. 59 (23), 2 December 1991 pp. 3030-3032 and J. Apply. Phys. 75 (12), 15 June 1994 pp. 7972-7977. Thus, there is a relationship represented by the following formula between the critical current density (I ₀ ) of the superconducting quantum interference device and the junction angle (θ) of the substrate.
[0031]
[Expression 2]

[0032]
Note that k is a constant.
Also, as reported by R. Gross et al. In Physica C 180 (1991) pp. 235-242 Sorth-Holland, the critical current density (I ₀ ) and the Josephson junction electrical resistance (R _S ) Has a relationship represented by the following formula.
[0033]
[Equation 3]

[0034]
Furthermore, the following formulas can be derived from formulas (2) and (3).
[0035]
[Expression 4]

[0036]
In order to confirm the relationship between the above formulas (2) and (4), the inventors of the present application use three types of bicrystal substrates having different bonding angles θ of the substrates manufactured as described above. A conduction quantum interference device was fabricated.
[0037]
5A is a diagram showing the relationship between the critical current density (I ₀ ) and the bonding angle (θ) of the substrate, and FIG. 5B is a graph showing the electrical resistance value (R _S ) of the Josephson junction. It is a figure which shows the relationship with the joining angle ((theta)) of a board | substrate. The straight line shown in (A) of FIG. 5 shows the relationship of formula (2), and the straight line shown in (B) of FIG. 5 shows the relationship of formula (4). The results measured using the superconducting quantum interference device fabricated as described above are plotted with black square marks.
[0038]
As is clear from FIG. 5, it was confirmed that the critical current (I ₀ ) substantially satisfies the relationship represented by the equation (2) with respect to the substrate bonding angle (θ). It was confirmed that the value (R _S ) does not satisfy the relationship of the formula (4) when the bonding angle (θ) of the substrate is 30 °, and shows a considerably high value. The width (w) of the superconducting thin film at the Josephson junction was 2 μm.
[0039]
When the substrate bonding angle (θ) is 30 °, a high output voltage change (ΔV) is shown (see FIG. 4). As shown in FIG. 5B, the bonding angle (θ) is 30 °. This is based on showing a high resistance value (R _S ). For example, when the electric resistance value of the junction (R _S) is a 10 [Omega, the product I ₀ R _S of the critical current value (I ₀₎ and the electrical resistance of the joint portion (R _S) it was 250MyuV.
[0040]
As described above, by setting the bonding angle (θ) of the substrates to 30 ° according to the present invention, a singular point in which the electrical resistance value (R _S ) of the Josephson junction is extremely high is obtained. The electrical resistance value can exceed 10Ω, and a superconducting quantum interference device in which the product I ₀ R _S can exceed 150 μV can be realized.
[0041]
The change in output voltage (ΔV) with respect to the inductance (L _S ) of the loop portion was also measured. FIG. 6 is a diagram showing a result of measuring a change (ΔV) in the output voltage under the condition of a temperature of 77K by changing the inductance (L _S ) of the loop portion when the substrate bonding angle (θ) is 30 °. . According to this figure, it can be seen that the change in the output voltage can be increased as the inductance of the loop portion is reduced. That is, if the diameter of the loop portion is reduced, the change in the output voltage is increased. However, if the diameter of the loop portion is reduced, the magnetic flux taken into the loop portion is reduced, so that the sensitivity of the element is lowered. Therefore, in practice, it is difficult to increase the sensitivity of the element only by reducing the diameter of the loop portion, that is, by reducing the dimension d shown in FIG.
[0042]
The curve shown in FIG. 6 is based on the following theoretical formula.
[0043]
[Equation 5]

[0044]
In Expression (5), ΔV is a change in output voltage, β is an inductance parameter, β = 2L _S I ₀ / Φ ₀ , k _B is a Boltzmann constant, and Φ ₀ is a flux quantum. The curve in FIG. 6 shows the calculation result when the critical current value (I ₀ ) is 25 μA and the Josephson junction electrical resistance value (R _S ) is 10Ω. As is clear from FIG. 6, the black circle plot shown as the experimental value almost coincides with the curve of the theoretical formula.
[0045]
Furthermore, the noise characteristics were examined using a superconducting quantum interference device having a junction angle (θ) of 30 ° produced according to the present invention as described above. FIG. 7 shows the measurement results. In FIG. 7, the horizontal axis indicates a given frequency, and the vertical axis indicates the magnitude of magnetic flux noise generated by the frequency. At the white noise level (right side of FIG. 7), a noise of about 8 μΦ ₀ / Hz ^1/2 was measured, and at a frequency of 1 Hz, a noise of about 70 μΦ ₀ / Hz ^1/2 was measured. This noise measurement was performed with the element placed inside a cylindrical magnetic shield made of permalloy and immersed in liquid nitrogen.
[0046]
The measured magnetic flux noise shows so-called 1 / f noise in the low frequency region, but this low frequency region noise could be further reduced by using a so-called AC bias method. In addition, since the measurement result shown in FIG. 7 is affected by circuit noise and environmental noise, it is considered that the true noise of the superconducting quantum interference device itself is lower than the measurement result.
[0047]
In the above-described embodiments, SrTiO ₃ is used as the substrate material. However, even if a substrate made of a material other than this, such as MgO, LaAlO ₃ , NdGaO ₃ , or yttrium-stabilized zirconia, is used. The effect can be expected.
[0048]
In the above-described embodiment, Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _7-x (where x is 0 ≦ x <7) is used as the material for the high-temperature superconducting thin film. Even if a thin film is formed, the above-described effects of the present invention can be expected. In particular, the oxide high-temperature superconducting material may contain any element such as Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb. In addition, even if it forms a thin film from oxide high temperature superconductivity materials other than Y type, the effect of this invention can be anticipated.
[0049]
Although the junction angle (θ) of the bicrystal substrate used in the superconducting quantum interference device of the present invention is limited to 30 °, the junction angle within a range in which the above-described effects can be achieved. The tolerance is included.
[0050]
It should be considered that the embodiments and examples disclosed above are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiments and examples but by the claims, and all the embodiments and examples are modified or modified within the meaning and scope equivalent to the claims. Is included.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a superconducting quantum interference device that exhibits a large change in output voltage with respect to a given magnetic field change. A highly sensitive magnetic sensor for measuring a magnetic field can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a high-temperature superconducting quantum interference device as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing the pattern shape and dimensions of a superconducting thin film formed with a high-temperature superconducting quantum interference device fabricated in one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between crystal orientations between substrates in a bicrystal substrate used in the high-temperature superconducting quantum interference device of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the change in magnetic field and the change in output voltage obtained in one embodiment of the present invention.
5A is a diagram showing a relationship between a critical current value (I ₀ ) and a substrate bonding angle (θ), and FIG. 5B is an electric resistance value (R _S ) of a Josephson junction and a substrate bonding. It is a figure which shows the relationship with an angle ((theta)).
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the change in output voltage (ΔV) and the inductance (L _S ) of the superconducting loop.
FIG. 7 is a diagram showing measurement results of noise characteristics of a high-temperature superconducting quantum interference device obtained in an example of the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing a schematic structure of a conventional superconducting quantum interference device known conventionally.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bicrystal substrate 2 High-temperature superconducting thin film 11 and 12 Substrate 13 Substrate junction 21 Loop portion 22 and 23 Josephson junction 24 Hole portion 25 and 26 Electrode portion θ Bicrystal substrate junction angle

Claims (4)

A bicrystal substrate formed by bonding first and second substrates having different crystal orientations and having a substrate bonding portion between the first and second substrates;
A high-temperature superconducting thin film formed so as to be in contact with the bicrystal substrate and having a Josephson junction consisting of a grain boundary immediately above the substrate junction;
The high-temperature superconducting thin film has a loop portion surrounding a hole portion where the high-temperature superconducting thin film is not formed,
The first and second substrates have crystal orientations different from each other by 30 ° on both sides of the substrate bonding portion ;
The change in output voltage (ΔV), critical current value (I ₀ ), Josephson junction electrical resistance (R _S ), and junction angle (θ) satisfy the following equations:
ΔV∝I ₀ R _S
I ₀ ∝exp (−kθ) (k is a constant)
The electrical resistance value (R _S ) of the Josephson junction at a junction angle of 30 ° is a singular point showing a higher value than the electrical resistance value represented by the formula of R _S ∝exp (kθ / 2). , High-temperature superconducting quantum interference device. 2. The high-temperature superconducting quantum interference device according to claim 1, wherein the substrate is made of one material selected from the group consisting of SrTiO ₃ , MgO, LaAlO ₃ , NdGaO _3, and yttrium-stabilized zirconia.   The high-temperature superconducting thin film contains one element selected from the group consisting of Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb. High-temperature superconducting quantum interference device. The substrate is made of SrTiO _3, the high-temperature superconducting thin film is _{Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7} -x ( here, x is 0 ≦ x <7) consists, according to any one of claims 1 to 3 High-temperature superconducting quantum interference device.

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