JPH03200383A - 永久電流解除装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の概要〕 ５ＱＵＩＤやジョセフソン回路などの超伝導回路にトラ
ップされる磁束により誘起される永久電流を解除するた
めの永久電流解除装置に関し、電流をほとんど流さずに
、超伝導ループの永久電流を解除できる装置を提供する
ことを目的とし、超伝導体からなるループまたは超伝導
体とジョセフソン接合からなるループの永久電流解除装
置において、該ループに、電界効果で動作する超伝導３
端子素子のチャンネルを挿入し、該素子のゲート電極に
該チャンネルを超伝導、常伝導に切換える電圧源を接続
した構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、５ＱＬＩＩＤやジョセフソン回路などの超伝
導回路にトラップされる磁束により誘起される永久電流
を解除するための永久電流解除装置に関する。

超伝導体は、臨界温度と呼ばれる温度以下に冷却するこ
とにより、常伝導状態から超伝導状態に状態が変化する
。この際、地磁気などの磁界の中で冷却されると、超伝
導薄膜に磁束が鎖交した状態で閉じ込められることが起
きる。これは、磁束トラップと呼ばれ、このトラップさ
れた磁束は、ＳＱ［ＩＩＤ　（超伝導量子干渉素子）磁
界センサやジョセフソン論理／記憶回路などの超伝導回
路内に設けられる超伝導ループに永久電流を誘起し、回
路動作を不良にする。このため永久電流をなくす必要が
ある。

〔従来の技術〕

従来の超伝導回路においては永久電流解除を、磁束トラ
ップ自体をなくすようにして行ない、この磁束トラップ
自体をなくす方法として、■パーマロイなどの材料から
なる磁気シールドや超伝導シールドを用いて地磁気を減
らす方法、■超伝導回路内の超伝導グランドブレーンの
特定の場所に穴をあける（いわゆるモート）方法、■抵
抗体に電流を流すなどにより、超伝導回路の温度を一時
的に臨界温度以上に上げ、再び温度を下げる方法などが
行われている。

しかし、これらの方法には限界があり、例えばマルチタ
ーンの入力コイルと結合する磁界センサとして用いられ
る５ＱＵＩＤなどの大きな超伝導回路では、磁束トラッ
プを１つも残さないようにするのは難しい。

ところで、トラップ磁束の除去にはならないが、これと
鎖交する超伝導ループの永久電流の解除には、−時的に
超伝導ループの一部を常伝導に遷移させればよいから（
これでＩＲ電圧が発生、することになり、永久電流は存
在できなくなる）、抵抗に電流を流してループの一部を
加熱し、常伝導に戻す方法が知られている。しかしこの
方法では、抵抗に流す電流自体が磁束を発生し、この磁
束が再び永久電流を誘起するなどの問題が生じる。

〔発明が解決しようとする課題〕

抵抗体による加熱など、電流を用いる方法により永久電
流を解除する方法では、加熱のための電流が作り出す磁
界が再び永久電流を誘起しない様、抵抗体の配置や電流
波形の与え方を検討する必要があり、設計が困難になる
。

本発明は、電流をほとんど流さずに、超伝導ループの永
久電流を解除できる装置を提供することを目的とするも
のである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の原理説明図である。超伝導ループ１
０は超伝導インダクタ１４と超伝導配線１２などの超伝
導体からなる。このループには、ジョセフソン接合１６
が含まれていてもよい。本発明ではこの超伝導ループ１
０に、超伝導３端子素子２０のチャンネル０８部分を含
める。超伝導３端子素子２０はゲート電極Ｇを持ち、ゲ
ート電圧を電圧線Ｖｓにより制御する。トラップ磁束φ
などの磁束が超伝導ループ１０に鎖交すると、超伝導ル
ープには永久電流Ｉが流れる。φが磁束量子φ。より十
分大きい場合、永久電流Ｉはほぼφ／してある。ここで
Ｌは超伝導ループ１０に含まれる全インダクタンスを表
す。この永久電流Ｉは予定外のものであり、超伝導ルー
プを含む超伝導回路の動作を不良にする。

〔作用〕

超伝導ループに超伝導３端子素子のチャンネルを含める
ことにより永久電流の解除が可能である。

第２図を参照しながらこれを説明すると、超伝導３端子
素子のゲー）Ｇに制御電圧をかけない時（ＯＦＦ）、チ
ャンネルＣＨは超伝導状態である。

この時、超伝導ループ１０は全箇所超伝導状態であり、
トラップ磁束により大きな永久電流Ｉの流れがあり得る
。制御電圧をかけると（ＯＮ）、チャンネルＣＨは常伝
導状態となり、この時、永久電流は零となる。こうして
永久電流の解除を行なうことができる。ただしこのＯＮ
状態ではループの一部が常伝導のため超伝導ループ１０
を含む回路は動作しないが、制御電圧を切る（ＯＦＦ）
と、チャンネルＣＨは再び超伝導になり、超伝導回路１
０は全箇所超伝導状態になって動作できるようになる。

チャンネルＣＨが超伝導／常伝導／超伝導に遷移する間
トラップ磁束φは変わらないから、第２図（ロ）に示す
ように永久電流は高々φ。／Ｌ程度の小さい値しか残ら
ず、実質的に永久電流は解除されたと言える。この制御
電圧の０ＦＦ−ＯＮ→ＯＦＦ後の永久電流は、鎖交する
トラップ磁束の大きさにより決まるが、−φ。／Ｌから
＋φ。／Ｌの間にある。

また、超伝導３端子素子２０の制御のために変化するの
は電圧であって、素子２０のような電界効果型素子では
制御電流は殆んど流れないから、制御のために新たに大
きな磁界を発生し磁束トラップや永久電流を生じること
はない。

〔実施例〕

第３図に実施例を示す。ジョセフソン接合１６ａ、１６
ｂ、超伝導配線１２、超伝導インダクタ１４で構成され
る５ＱＵＩＤは磁界センサであって、これにピックアッ
プコイル２２を含む超伝導ループ３０の人力コイル２４
が磁界結合する。ピックアップコイル２２が被測定磁界
φ１をとらえ、超伝導ループ３０に電流が流れ、入力コ
イル２４の磁界結合を介して、５ＱＵＩＤに磁界を与え
る。ここで、超伝導ループに、被測定磁界の他、地磁気
やトラップ磁束などが鎖交していると、これらの磁束も
５ＱＵＩＤに伝えられ、出力に重畳することになり、測
定の誤差となる。そこで、超伝導ループに超伝導３端子
素子２０のチャンネル部Ｈ部分を挿入し、被測定磁界が
零の状態で（地磁気とトラップ磁束のみが存在している
状態で）、ゲート電圧をＯＮ、０ＦＦｔ、、超伝導ルー
プ内の永久電流をほぼ零にする。その後、被測定磁界が
加わると、超伝導ループ内の電流はほぼ被測定磁界に比
例し。

地磁気やトラップ磁界による誤差が少ない状態で測定す
ることができる。

生体磁気測定の場合ピックアップコイル２２．５ＱＩＪ
ＩＤチツプ、これらを接続する超伝導ループ３０などは
第４図に示すように、液体Ｈｅの入ったクライオスタッ
ト３２内に置かれ、コイル２２が生体（頭または心臓な
ど）３４の磁束と鎖交するようにされる。コイル２２は
ある向きで巻いたコイル２２ａと２２０１逆向きに２倍
巻いたコイル２２ｂで構成される。前者を＋１、後者を
−２とすると、これらの全コイルに鎖交する磁束は＋１
−２＋１＝Ｏで、電圧従って電流を生じないが。

一部にのみ鎖交する磁束は電圧従って電流を生じる。こ
うして、地磁気などによる外部磁束を除いて生体から発
する磁束を検出する。

超伝導３端子素子２０は第５図（ａ）に示すようにシリ
コン基板ＳＵＢ上にニオブ（Ｎｂ）のソースＳ領域、ド
レインＤ領域と、絶縁層ＩＮＳを介してやはりＮｂのゲ
ート電極Ｇを形成してなる。ソース、ドレインの間隔は
０．１μｍなどの微小間隔である。ニオブは超伝導体で
あるが、シリコンは超伝導体ではない。しかし、しみ出
し効果によって超伝導状態になり得る。即ち第５図（ｂ
）はゲート電圧がＯのときのソースＳ１　ドレインＤ１
チャンネルＣＨの秩序パラメータψ（このψの２乗が超
伝導に寄与する電子の密度に対応する）の変化を示し、
ゲート電圧が０であるとチャンネル部でもソース、ドレ
インからのしみ出し効果でψ〉０となって超伝導電流が
流れ得る。ゲート電圧を負にして行くと電子が排除され
て空乏層が拡がり、秩序パラメータのしみ出しが減って
第５図（Ｃ）の如くなり、チャネル部ではψ−０の超伝
導電流は流れなくなる。こうしてゲート電圧により３端
子素子のチャンネルＣＨは超伝導／常伝導に変わる。

基板ＳＵＢとしてはシリコンの他にＩｎＡｓ、　ＩｎＧ
ａＡｓなどの化合物半導体でもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、電界効果型超伝導
３端子素子を用いることにより、超伝導ループの一部を
常伝導に遷移させて、新たな磁界を発生することなく、
トラップ磁束などにより誘起された永久電流を容易に解
除することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は第１図の動作説明図、 第３図は本発明の実施例を示す回路図、第４図は生体磁
気検出装置の説明図、 第５図は超伝導３端子素子の説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超伝導体からなるループまたは超伝導体とジョセフ
   ソン接合からなるループの永久電流解除装置において、 該ループに、電界効果で動作する超伝導３端子素子（２
   ０）のチャンネル（ＣＨ）を挿入し、該素子のゲート電
   極（Ｇ）に該チャンネルを超伝導、常伝導に切換える電
   圧源を接続したことを特徴とする永久電流解除装置。