JPH0451578A - ジョセフソン発振器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はジョセフソン素子を直列に接続したジョセフソ
ン発振器に関する。

〔従来の技術〕

第９図にジョセフソン素子の概念図を示す。図中３１．
３１は超電導体であり、超電導体３１．３１は絶縁体又
は金属等の非超電導膜３２により隔てられている。

このジョセフソン素子の２つの超電導体３１．３１の間
に直流のバイアス電圧を印加すると、バイアス電圧に比
例する交流のジョセフソン発振を行えることが知られて
いる。

そして例えばＮｂ　（ニオブ）等の金属系超電導体から
なるジョセフソン素子を複数個直列接続したジョセフソ
ン発振器の開発が進められている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ジョセフソン発振器を構成するジョセフソン素子を直列
に多数接続すると帯域幅が狭（、電力が大きい発振が得
られる。ところが、ジョセフソン素子を多数直列に接続
するときは同じ工程を複数回繰り返すので、前工程で製
造された接続部が損なわれジョセフソン発振特性が劣化
することがあり、ジョセフソン素子の接続数を増加させ
ることには限界があった。

また、個々のジョセフソン素子を超電導体３１の大きさ
及び非超電導膜３２の厚みの再現性が得られるように製
造し、均一なジョセフソン発振特性が得られるようにす
ることは困難であった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るジョセフソン発振器は、ジョセフソン発振
部にバイアス電圧を印加してジョセフソン発振を生じせ
しめるジョセフソン発振器において、前記ジョセフソン
発振部がグラニュラ状超電導体セラミックスを含むこと
を特徴とする。

（作用） ジョセフソン素子をＮ個直列に接続したジョセフソン発
振器の発振電力はジョセフソン素子の発振電力のＮ倍に
なる。また、発振帯域幅は抵抗値をＲとしたとき１／Ｒ
２に比例するので、ジョセフソン素子をＮ個直列に接続
した発振器の抵抗値はＮＸＲ倍であり、発振器の帯域幅
は素子の帯域幅の１　／Ｎ”倍になる。

本発明においてはグラニュラ状超電導体セラミックスか
らなる発振部をジョセフソン発振器に使用している。グ
ラニュラ状超電導体セラミックスは均一な粒径である超
電導体微粒子が非常に多数直列に接続された構造を有し
ており、これは複数の工程を必要とせず、−度に製造す
ることができるので超電導体微粒子が損なわれることが
ない。

そして従来のジョセフソン発振器と比較して非常に多数
のジョセフソン素子が直列に接続された構成となるので
、発振電力を増加させ、発振帯域幅を減少させることが
できる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づき具体的に説明する。第１
図は本発明のジョセフソン発振器の模式的平面図であり
、第２図（ａ）は第１図のＩ−１′ｆａ断面図、第２図
（ｂｌは第１図の■−■線断面図である。

結晶化ガラス基板１の上にグラニュラ状超電導体セラミ
ックス２が形成されている。基板の略中夫に微小の間隙
を隔てて矩形の凹所１ａ及び１ｂを設けることにより幅
狭のジョセフソン発振部２ａが形成されている。そして
マスク蒸着によりジョセフソン発振部２ａの両端に発振
電力取り出し用の電極部４．４が、さらに微小間隙を隔
ててバイアス電圧を印加する電極部３．３が形成されて
いる。

電極部４，４は外部の共振器５に接続されている。電極
部３．３はジョセフソン回路にジョセフソン発振を生じ
させ、また発振周波数を決定するバイアス電源回路６に
接続されている。

グラニュラ状超電導体セラミックス２は次のようにして
製造した。

硝酸インドリウムＹ　（Ｎ（ｈ）　３　・３．５Ｆ［ｚ
Ｏと、硝酸バリウムＢａ　（ＮＯ：ｌ）　ｚと、硝酸銅
Ｃｕ（ＮＯｘ）ｚ　・３Ｈ２０とを夫々水に溶かしてＹ
、　Ｂａ　＋　Ｃｕがモル比で１：２：３になるように
混合する。

ついで蓚酸ＨｚＣｚＯａ・２Ｈ２０をＢａ元素２モルに
対し７モル加えてアンモニア水でｐＨ調整を行い、ｐｌ
＝＝４〜７とし、蓚酸塩として共沈させる。

沈澱物をろ過し水洗した後、十分乾燥し、空気中におい
て８５０℃で９時間仮焼成する。次に、仮焼成の粉末を
１〜２トン／ｄの圧力で成形後、９２０℃で酸素雰囲気
中で１２時間本焼成を行い、Ｙ　ＢａＣｕ　Ｏ超電導体
を得た。

このようにして得′られる超電導体は、焼成条件等の作
製条件で組成、粒径を制御することが可能であり、この
実施例で得られた超電導体は、粉末固相法等の信性で得
られるＹ　ＢａＣｕ　Ｏ系焼結体に比べ粒径が０．１〜
０．３μｍと小さく、均質なグラニュラ状焼結体となっ
た。

このグラニュラ状超電導体セラミックスをスライスした
後、酸素雰囲気中で４８０℃の温度で０．４時間かけて
プリントガラスで接合した。この場合の温度としては、
オルソ−テトラ相転移温度以下である４００〜５００℃
であればよい。この接合断面を光学顕微鏡で見たところ
、均質でクラックのない良好な接合が得られていること
がわかった。

その後、スライス表面を５０μｍ程度の厚みまで研磨し
、続いて研磨した超電導体について第１図に示した凹所
１ａ、　ｌｂを超音波加工又はエツチングにより設け、
ジョセフソン発振部２ａを形成した。

ジョセフソン発振部２ａの大きさは概ね幅０．１ｍ、厚
み３０μｍ、長さ０．５〜５ｎである。その後電極部４
，４及び電極部３．３をマスク蒸着により形成した。

第３図はジョセフソン発振部２ａの材料であるグラニュ
ラ状超電導体セラミックスの模式的横断面図である。図
中２１は超電導微粒子であり、２２は超電導微粒子２１
を包囲する非超電導層膜である。超電導微粒子２１の大
きさは略均−である。このグラニュラ状超電導体セラミ
ックスは、長平方向に直列に接続されたジョセフソン素
子の集合体とみなすことができる。

第４図に１単位のジョセフソン素子の等価回路を示す。

第４図はジョセフソン接合１１、素子抵抗１２の並列接
続回路に、外付けの整合抵抗１３を接続した状態を示し
ている。整合抵抗１３の抵抗値を素子抵抗１２の抵抗値
と等しくさせるとジョセフソン発振電力は最大になる。

第５図はジョセフソン素子を直列に接続した等価回路図
である。直列に接続されているＮ個のジョセフソン接合
１１．１１・・・に夫々素子抵抗１２．１２・・・が並
列に接続されている。さらに素子抵抗１２．１２・・・
の直列接続回路に外付けの整合抵抗１４が接続されてい
る。整合抵抗１４の抵抗値を素子抵抗１２のＮ個の抵抗
値の和と等しくさせるとジョセフソン発振電力は最大に
なる。

本発明のジョセフソン発振器の発振電力は以下のように
して算出される。

第１図に示したバイアス電源回路６によりジョセフソン
発振部２ａに電圧■を印加させたとき、ジョセフソン発
振部２ａに発生する電圧ｖ　（ｔｌは次式で表される。

但し、ａ、二交流電圧成分 ωＪ　：ジョセフソン角速度 ｔ　；時間 印加電圧■は、電流Ｉ、ジョセフソン臨界電流Ｉｃｚ系
のコンダクタンスＧにより（２）弐で表される。

ｖ＝（Ｉｃ／Ｇ）ｘ　（（１／Ｉｃ）２−１）””　−
＝（２１但し、Ｇ＝　（ＲＬ＋ＮＲ）／ＲＬ（ＮＲ）Ｒ
Ｌ　：ジョセフソン発振部の整合抵抗Ｒ：ジョセフソン
発振部を構成する一 単位のジョセフソン素子の抵抗 Ｎ　：ジョセフソン素子の数 交流電圧成分ａ、、は（３）式で表される。

ａ、＝２ｘ　（（１／、Ｉｃ）−（（１／Ｉｃ）”１）
Ｉ／Ｚ）”　　　　　　　　　　−（３）通常、ジョセ
フソン発振の中で最も重要な発振成分はｍ＝ｌである第
１次成分である。ノイズの原因になるので他の成分は少
ない方がよい。

第６図はｍ＝ｌである第１次成分についてのジョセフソ
ン素子１個の印加電圧Ｖ、と発振電圧Ｖ。

（但しＶ＋　　＝ａ＋ＸＶ＋）との関係を示すグラフで
ある。

である。

ジョセフソン素子に流れる電流■。の値は１０ｍＡ、素
子抵抗Ｒの抵抗値はＯ０工Ωであり、ジョセフソン素子
の発振電力Ｐ、はＰ＋＝（Ｖ＋’）”／２Ｒで表される
から、上記の場合の発振電力Ｐ、は２Ｘ１０−’Ｗであ
る。そしてジョセフソン素子をＮ個直列に接続したとき
の発振電力はＰ、のＮ倍である。

第７図はジョセフソン発振部の幅を１０μ−にしたとき
のジョセフソン発振部長さｌ！　　（ｆｌ）と発振電力
Ｐ　（Ｗ）との関係を示すグラフである。第７図より発
振電力はジョセフソン発振部の長さが長くなるに従い、
増加していることがわかる。

第８図はジョセフソン発振部の幅を１０μｍ、長さをＩ
ｎ＋にしたときの印加電圧Ｖと発振周波数ｆとの関係を
示すグラフである。第８図より印加電圧Ｖが７．４ｍＶ
のとき、発振周波数ｆは３６ＧＨｚである。

ジョセフソン発振部１ｍ当たりジョセフソン素子がＮ個
直列に接続されているとすると、ジョセフソン素子１個
に印加される電圧はＶ／Ｎであり、ジョセフソン素子の
発振周波数ωについて（４）式が成立する。

ω＝　（２ｅ／ｈ）　Ｘ　（Ｖ／Ｎ）　　　　　＝１４
）但し、ｅ：単位電荷 ｈニブランク定数を２πで除したもの ω−２πｆであるから、第８図のＶ＝７．４　、ｆ＝３
６を（４）弐に代入してＮを求めるとＮ＝１００になる
。

ジョセフソン発振部の長さをｌ１ｖｎとするとジョセフ
ソン発振部の発振電力Ｐはジョセフソン素子の発振電力
をＰ、とするとＰ＝　＜Ｎ１）ｘｐ、で表され、前述の
計算ではＰｌ＝２ＸＩＯ−７（Ｗ）でアルカラｌ　＝　
１１１（ＤトキＰ　＝　２　ｘｔｏ−’　（Ｗ）　トｆ
、；る。

従来のジョセフソン発振器の発振電力は１０−’（Ｗ）
のオーダーであるからこれは従来のジョセフソン発振器
の１００倍の発振電力に相当する。

また、発振帯域幅は１／Ｒ２に比例するので、ジョセフ
ソン素子をＮ個直列に接続した発振器の抵抗値はＮＸＲ
倍であり、発振器の帯域幅は素子の帯域幅の１／Ｎ２に
比例するため、上述の実施例のようにＮの値を増加させ
た場合の帯域幅は大きく減少する。

〔効果〕

以上の如く本発明のジョセフソン発振器においては、グ
ラニュラ状超電導体セラミックスを発振部に使用してい
るので、非常に多数のジョセフソン素子が直列に接続さ
れた構成となっており、ジョセフソン発振の帯域幅を減
少させ、発振電力を増加させる等価れた効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のジョセフソン発振器の模式的平面図、
第２図（ａＬ　（ｂｌは第１図の１−１線断面図及びｎ
−ｎ線断面図、第３図はグラニュラ状超電導体セラミッ
クスの模式的横断面図、第４図は１単位のジョセフソン
素子の等価回路図、第５図はジョセフソン素子を直列に
接続した等価回路図、第６図は１単位のジョセフソン素
子の印加電圧と発振電圧との関係を示すグラフ、第７図
はジョセフソン発振部長さと発振電力との関係を示すグ
ラフ、第８図はジョセフソン発振部の印加電圧と発振周
波数との関係を示すグラフ、第９図はジョセフソン素子
の概念図である。 ２・・・グラニュラ状超電導体セラミックス２ａ・・・
ジョセフソン発振部 ３．３・・・電極部　４，４・・・電極部特　許　出願
人　　三洋電機株式会社 代理人　弁理士　　河　野　　登　夫 第 ］ 図 第 図 第 図 第 図 （ｌ：ジョセフソン発振部長（ｍｍ） 第 図 第 図 第 図 ■：印加電圧（ｍ） 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジョセフソン発振部にバイアス電圧を印加してジョ
   セフソン発振を生じせしめるジョセフソン発振器におい
   て、 前記ジョセフソン発振部がグラニュラ状超 電導体セラミックスを含むことを特徴とするジョセフソ
   ン発振器。