JPH0774401A - In-situ type josephson junction structure - Google Patents

In-situ type josephson junction structure

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JPH0774401A
JPH0774401A JP5242116A JP24211693A JPH0774401A JP H0774401 A JPH0774401 A JP H0774401A JP 5242116 A JP5242116 A JP 5242116A JP 24211693 A JP24211693 A JP 24211693A JP H0774401 A JPH0774401 A JP H0774401A
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josephson junction
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和男 門脇
Takashi Mochiku
高士 茂筑
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一正 戸叶
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Abstract

PURPOSE:To realize in-site type Josephson junction by crystal synthesis without depending on a high thin film technique and an ultrafine technique by realizing energization direction of c-axis direction inside a crystal in an oxide superconductor having laminar crystal structure vertical to c-axis. CONSTITUTION:It is demonstrated by following two points that unit cell of a single crystal Bi2Sr2CaCu2O8 formed from liquid phase reaction forms respective Josephson junctions. At first, since it is a good single crystal crystallographically, the content of an impurity layer does not exceed 0.1%. If an impurity layer provides characteristic as a Josephson junction, fine steps which appear in current/voltage characteristic are at most several. Therefore, a number of steps which appear in current/voltage characteristic are not due to inclusion of an impurity layer. Secondly, if a hopping of current/voltage characteristic is due to inclusion of an impurity layer, fine step does not appear at a minimum unit of 0.2 to 0.3mV.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【産業上の利用分野】この発明は、イン サイチュー(I
n Situ) 型ジョセフソン接合構造に関するものである。
さらに詳しくは、この発明は、マイクロ波領域から赤外
領域までの広範囲な周波数において動作するデバイス等
に有用な、マイクロエレクトロニクスの発展に大きく寄
与することが期待される新しいイン サイチュー(In Si
tu) 型ジョセフソン接合構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION This invention relates to in-situ (I
n Situ) type Josephson junction structure.
More specifically, the present invention is useful for devices operating in a wide range of frequencies from the microwave region to the infrared region, and is expected to contribute significantly to the development of microelectronics.
tu) type Josephson junction structure.

【従来の技術とその課題】従来より、新しいエレクトロ
ニクスの世界を拓くものとしてジョセフソン接合構造が
注目されており、そのための試みも種々なされてきてい
る。このジョセフソン接合を形成するためには、超電導
体の間に超電導コヒーレンス長と同程度の障壁を設ける
必要があるため、従来は、極めて高度な薄膜形成技術と
超微細な加工技術を駆使してその作製が試みられてき
た。しかしながら、従来のジョセフソン接合の対象とさ
れてきた金属や合金系の場合とは相異して、近年、新し
いエレクトロニクス革新を導くものと期待されている酸
化物系高温超電導体の場合には、超電導コヒーレンス長
が原子間距離に相当する程極端に短い。このため、ジョ
セフソン接合形成のためには原子層レベルでの制御技術
が要求されており、現実的にはこのことは極めて困難で
あるため、良質な接合形成にはまだ至っていないのが現
状である。このため、酸化物系高温超電導体の特徴を生
かしつつ、新しいジョセフソン接合を形成することので
きる新しい技術手段の実現が望まれていた。
2. Description of the Related Art Conventionally, the Josephson junction structure has been attracting attention as one that opens up a new world of electronics, and various attempts have been made to achieve it. In order to form this Josephson junction, it is necessary to provide a barrier of the same length as the superconducting coherence length between the superconductors, so in the past, it was necessary to make full use of extremely advanced thin film forming technology and ultrafine processing technology. Its production has been tried. However, unlike the case of the conventional metal or alloy system which has been the object of the Josephson junction, in the case of the oxide high temperature superconductor, which is expected to lead to new electronics innovation in recent years, The superconducting coherence length is extremely short, which corresponds to the interatomic distance. For this reason, control technology at the atomic layer level is required for forming the Josephson junction, and this is extremely difficult in reality, so it is the current situation that good-quality junction formation has not yet been achieved. is there. Therefore, it has been desired to realize a new technical means capable of forming a new Josephson junction while taking advantage of the characteristics of the oxide-based high temperature superconductor.

【課題を解決するための手段】この発明は、以上の通り
の事情に鑑みてなされたものであって、従来技術の限界
を克服し、酸化物系高温超電導体によってジョセフソン
接合構造を提供するものである。すなわち、この発明
は、c−軸に垂直な層状結晶構造を有する酸化物系超電
導体において、結晶内c−軸方向を通電方向とすること
を特徴とするイン サイチュー(In Situ) 型ジョセフソ
ン接合構造を提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, overcomes the limitations of the prior art, and provides a Josephson junction structure with an oxide high temperature superconductor. It is a thing. That is, the present invention is an oxide-based superconductor having a layered crystal structure perpendicular to the c-axis, wherein the in-crystal c-axis direction is the current-carrying direction. Provide structure.

【作用】酸化物系高温超電導体は、通常、c−軸に垂直
な層状の結晶構造を持ち、超電導電流の流れが特定の層
内(たとえばCu−O面)に限定され、この層の間には
絶縁層あるいは常電導層が介在されている。たとえば、
Bi−Sr−Ca−O系の酸化物超電導体の場合にはB
i−O面がこの役割を果たしている。 異方性が強く、
コヒーレンス長の短いBi2 Sr2 CaCu2 8 等に
おいては、c−軸方向の電導特性として、通常の金属的
伝導機構とは異なった、半導体的、または、絶縁体的特
性が実験的に観測されており、このことは、超電導状態
での、c−軸方向の伝導はab−方向の伝導とは異な
り、弱結合的になっていることが予想された。しかしな
がら、現在までのところ、良質の単結晶を得ることが極
めて困難であったため、実験的にこれを実証した実験例
は発表されていない。この発明は、このような高温超電
導体に内在する、結晶が備え持っている本来の性質に着
目してなされたものであって、c−軸方向に存在する本
質的弱結合性を用いて、現在の高度に発達した薄膜成長
技術においても未だ成功していない良質のジョセフソン
接合を形成する原理的構造を確定したものである。すな
わち、この発明の発明者は、高温超電導体の層構造その
ものに注目し、この層構造自身がジョセフソン接合にな
っている(本質的接合、Intrinsic Junction)か、ある
いは、結晶成長時の層の構築にともなって導入される可
能性のある組織変化がジョセフソン接合の働きをするこ
とを確認し、これを新しいジョセフソン接合構造として
提供するものである。この構造そのものの特徴は、従来
のように人工的に構築することと対比して、超電導体の
合成時に導入されるものである(In Situ Junction)た
め、極めて容易に、かつ、高品質の、特性が一定なジョ
セフソン素子が得られることになる。そしてその構造
は、合成時に制御可能であるという特徴を有している。
実際、この発明における酸化物系超電導体としては、L
a−Sr−Cu−O系、La−Ba−Cu−O系、Y−
Ba−Cu−O系、Ln(ランタニド)−Ba−Cu−
O系、Bi(Pb)−Sr−Ca−Cu−O系、Tl−
Ba(Sr)−Ca−Cu−O系、Hg−Ba−Ca−
Cu−O系等の各種のものが用いられる。そして、これ
らの超電導体におけるジョセフソン接合構造は、結晶が
単結晶、もしくは単結晶近似の結晶性を有する多結晶体
であってよく、溶融法や気相法によって作成された単結
晶等がこの発明のジョセフソン接合を提供する。超電導
のコヒーレンス長がどの程度であるかを典型的な高温超
電導体についてみると、異方性が強いBi系、Tl−系
ではc−軸方向のコヒーレンス長が特に短く、手法にも
よるが、約1Å程度或いはそれ以下である。異方性が比
較的小さいLa−系、Y(Ln)−系においても数Åか
ら10Å程度である。結晶構造から、これらの超電導C
uO2 面間距離はBi−系で15Å(2212系)、1
8Å(2223−系)、Tl−系でも結晶構造の類似性
からほぼ同様の値である。比較的異方性の小さいLa−
系、Y(Ln)−系でも11Å程度である。さらに、正
常状態でのc−軸方向の電気抵抗は、異方性が強いBi
−系、Tl−系では温度下降と共に増加する傾向を示
し、いわゆる半導体的である。この点に関してはLa−
系やY(Ln)−系では事情が多少異なり、系のホール
濃度にc−軸伝導形態が敏感に依存し、一般にホール濃
度が薄い領域ではより異方的で、伝導もより半導体的で
ある事が知られている。超電導状態での異方性も、多く
の実験結果から、正常状態での異方性がそのまま引きつ
がれる。最も決定的なジョセフソン接合としての実験的
証拠は、特に異方的超電導体でのc−軸方向の電流電圧
特性にジョセフソン接合特有の異常が観測されることで
ある。最も異方的高温超電導体であるBi−系の良質な
単結晶を用いて、c−軸方向の電流電圧特性の温度依存
性を精密に測定することで、このジョセフソン特性は確
証される。なお、電圧電流特性に於ける弱結合性は、電
流が流れる方向の断面積に依るため、ジョセフソン接合
特性も単にc−軸方向の本質的特性のみによるものでは
なく、その断面積、即ち正常状態での弱接合の抵抗値R
nによっても規定される。Bi−系の場合、弱接合を規
定する値としてのIcRn値(Icはジョセフソン臨界
電流値)は各層当たり約0.1〜1mV程度である。こ
のことは、異方性が小さくc−軸方向の弱接合がそれ程
弱くない系においても、電流方向の断面積を制約するこ
とでジョセフソン弱接合を形成できることを意味してい
る。この発明のジョセフソン接合の構造では、ジョセフ
ソン接合が材料の合成中に形成されることになり、従来
のように、高度で厄介な蒸着技術を駆使する必要がな
く、その形成は極めて容易である。また、均一で高品質
の接合が得られる。以下、実施例を示し、さらに詳しく
この発明について説明する。
The oxide-based high-temperature superconductor usually has a layered crystal structure perpendicular to the c-axis, and the flow of the superconducting current is limited to a specific layer (for example, Cu-O plane). An insulating layer or a normal conducting layer is interposed between the two. For example,
B in the case of Bi-Sr-Ca-O-based oxide superconductor
The i-O plane plays this role. Strong anisotropy,
In Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 and the like, which have a short coherence length, experimentally observed semiconductor-like or insulator-like characteristics different from the ordinary metal-like conduction mechanism as the conductivity characteristics in the c-axis direction. It is expected that the conduction in the c-axis direction in the superconducting state is weakly coupled, unlike the conduction in the ab-direction. However, up to now, it has been extremely difficult to obtain a good quality single crystal, and therefore, an experimental example demonstrating this experimentally has not been published. The present invention was made by paying attention to the original property of the crystal inherent in such a high-temperature superconductor, and using the intrinsic weak bond existing in the c-axis direction, The principle structure for forming a high-quality Josephson junction, which has not yet succeeded in the current highly developed thin film growth technology, has been established. That is, the inventor of the present invention pays attention to the layer structure itself of the high-temperature superconductor, and the layer structure itself is a Josephson junction (essential junction, Intrinsic Junction), or the layer at the time of crystal growth. We confirmed that the structural changes that might be introduced during the construction functioned as the Josephson junction, and provided this as a new Josephson junction structure. The feature of this structure itself is that it is introduced at the time of synthesizing superconductors (In Situ Junction), as compared with the conventional artificial construction, so it is extremely easy and of high quality. A Josephson device with constant characteristics can be obtained. The structure is characterized by being controllable during synthesis.
In fact, as the oxide-based superconductor in the present invention, L
a-Sr-Cu-O system, La-Ba-Cu-O system, Y-
Ba-Cu-O system, Ln (lanthanide) -Ba-Cu-
O-based, Bi (Pb) -Sr-Ca-Cu-O-based, Tl-
Ba (Sr) -Ca-Cu-O system, Hg-Ba-Ca-
Various materials such as Cu-O type are used. The Josephson junction structure in these superconductors may be a single crystal or a polycrystalline body having crystallinity similar to that of a single crystal, such as a single crystal produced by a melting method or a vapor phase method. Provided is the Josephson junction of the invention. Looking at the coherence length of superconductivity in a typical high-temperature superconductor, the coherence length in the c-axis direction is particularly short in the Bi system and Tl- system, which have strong anisotropy, and it depends on the method. It is about 1Å or less. Even in the La-system and the Y (Ln) -system, which have relatively small anisotropy, it is about several Å to 10Å. From the crystal structure, these superconducting C
The distance between uO 2 planes is 15Å (2212 system) in Bi-system, 1
The values of 8Å (2223-system) and Tl-system are almost the same because of the similarity in crystal structure. La- with relatively small anisotropy
The system and the Y (Ln) -system also have about 11Å. Furthermore, the electric resistance in the c-axis direction in the normal state is Bi with strong anisotropy.
The − system and the Tl − system show a tendency to increase as the temperature decreases, and are so-called semiconductor-like. In this regard, La-
In the system and Y (Ln)-system, the situation is slightly different, and the c-axis conduction morphology is sensitively dependent on the hole concentration of the system. Generally, in the region where the hole concentration is low, it is more anisotropic and the conduction is more semiconducting. Things are known. As for the anisotropy in the superconducting state, the anisotropy in the normal state can be directly taken from many experimental results. The most definitive experimental evidence as a Josephson junction is that anomalies peculiar to the Josephson junction are observed especially in the c-axis current-voltage characteristics of anisotropic superconductors. This Josephson characteristic is confirmed by precisely measuring the temperature dependence of the current-voltage characteristic in the c-axis direction using a Bi-type high-quality single crystal that is the most anisotropic high-temperature superconductor. Since the weak coupling property in the voltage-current characteristic depends on the cross-sectional area in the direction of current flow, the Josephson junction characteristic does not depend only on the essential characteristic in the c-axis direction, but its cross-sectional area, that is, the normal characteristic. Resistance value R of weak junction
It is also defined by n. In the case of Bi-system, the IcRn value (Ic is the Josephson critical current value) as a value defining the weak junction is about 0.1 to 1 mV for each layer. This means that even in a system where the anisotropy is small and the weak junction in the c-axis direction is not so weak, the Josephson weak junction can be formed by limiting the cross-sectional area in the current direction. In the structure of the Josephson junction of the present invention, the Josephson junction is formed during the synthesis of the material, and it is not necessary to use the advanced and cumbersome vapor deposition technique as in the past, and the formation is extremely easy. is there. Also, a uniform and high quality joint can be obtained. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

【実施例】ジョセフソン素子としての特徴の第一点は、
素子が超電導弱結合的であることをしめすことである。
この弱結合性は、接合の電流電圧曲線で直接的に測定で
き、その臨界電流値Icと正常状態での電気抵抗値Rn
との間にはIcRn=一定の関係が成り立つ。そして、
イン サイチュー ジョセフソン接合の場合、正常状態
の電気抵抗値は、固有のc−軸方向の比抵抗値ρc と試
料の形状(断面積Sと厚さt)によって規定されること
になる。ここで、Rnは試料の厚さtに比例し、断面積
Sに反比例することから、断面積が小さく、厚い試料で
はRn値が大きくとれる。試料の臨界電流値は断面積に
比例することから、結局IcRn=ρc C tとなり、
IcRn値は物質固有のパラメーターρc とJc (臨界
電流密度)、そして厚さtに比例することになる。物質
固有のパラメーターは、物質が決まれば決まる量である
から、結局、IcRn値は試料の厚さで決まる。実際に
は、測定の都合上電流値が低い方が良いため断面積を小
さくする必要がある。そこで、液相反応から成長した良
質な単結晶Bi2 Sr2 CaCu2 8 を試料とし、こ
の試料の断面積を、約0.1mm×0.1mmとした。
厚さは0.03〜0.05mmとした。Rn〜100−
300Ωである。特性の測定には、図1に示した通りの
直流2端子法を採用した。図2は、電流電圧特性の1例
を模式的に示したものである。温度67.5kにおいて
は、電流を増加する際に11mA付近で突然電圧が立ち
上がり、正常状態での電気抵抗に達することがわかる。
この時点で超電導弱結合が破れたことを意味する。電流
値をこの状態から次第に減少させるときは図2のように
上昇時とは一致せず、さらに低電流側まで正常状態が続
き、やがて6mA付近で零になる。超電導が復活したこ
とを示す。このような特徴的なヒステリシス現象は、容
量結合したジョセフソン接合の特徴である。また、図に
は示していないが、負の電流値に対しては正の電流の場
合と対象的に負の電圧として現れることもジョセフソン
接合の特徴である。このような電流電圧特性は、臨界温
度直下から低温側の全温度領域で現れる。図3は、臨界
電流密度Jc の温度依存性を示したものである。この曲
線は、ジョセフソン接合のJc に対するアンベガオカー
バラトフ(Ambegaokar-Baratoff)の論式とほぼ一致し、
低温側での臨界電流密度は約Jc (0)=240±30
A/cm2 である。さらに、結晶のab−面内の臨界電
流密度Jc abは既に多くの実験値から知られていてJc
ab(0)〜105 −106 A/cm2 であるが、その異
方性の大きさγは、γ=Jc ab(0)/Jc =400−
4000となり、他の結果、たとえば電気抵抗の異方性
や、磁気トルクの測定結果から得られている異方性の値
と一致することからも、この測定結果は妥当なものであ
る。図1に示されているように、たとえば4.2Kの、
特に低温側で顕著に現れてくるが、電流値が臨界電流値
に近づいたとき、電流電圧特性に裾が現れてくるのが見
られる(電流電圧特性の立ち上がりの曲線の鈍り)。こ
の部分を拡大したものが図4である。この曲線のすそ野
は多数の小さな電圧の飛びからできており、その最小ス
テップ幅は、直読することで約0.2−0.3mVであ
ることがわかる。全体の電圧は約3Vであるから飛びの
数は1×104 −1.5×104 である。試料の厚さを
t=30μmとするとイン サイチュー ジョセフソン
接合の数は2×(30μm/30Å)=2×104 とな
り、電圧の飛びの数とイン サイチュー ジョセフソン
接合の数とがほぼ一致する。このことは、単結晶Bi2
Sr2 CaCu2 8 の結晶の単位包それぞれが一つ一
つのジョセフソン接合を形成していることを証明してい
る。なお、電流電圧特性のすそ野の原因は、図1に示し
たような圧着型2端子法を採用しているため、試料の上
下表面層側の約10%程の領域が、圧力、その他の外的
要因でそれより内部の接合状態とは異なった接合(ダメ
ージによりさらに結合力が劣化した)になったと考える
ことができる。この電流電圧特性のすそ野は試料を換
え、測定条件を変えると大きく現れたり、小さく現れた
り、条件をととのえることで非常に鋭い転移を示すもの
もあることから、試料のジョセフソン接合の不均一性が
反映された結果であると考えられる。なお、以上のこと
から、イン サイチュー ジョセフソン接合の基本単位
としてのic n 値は、約0.3mV程度と見積ること
ができる。すなわち、電圧の飛びは、拡大すると多数の
小さな飛びから構成されており、その飛びの数nと飛び
の電圧vとの積は、正常状態の電圧出力Vにほぼ等しい
(V〜nv)。このことは、電圧電流特性の電圧出力
は、各超電導層がジョセフソン接合を形成しており、そ
の直列接続となっていることを示している。なお、以上
のような、電流電圧特性が、試料の内部に含まれる不純
物を反映したものでなく、Bi2 Sr2 CaCu2 8
試料の持つ固有の性質によるものであることは、以下の
ことによって明らかである。すなわち、まず、第一に、
試料に用いたBi2 Sr2 CaCu2 8 の単結晶は、
不純物の含有が非常に少ない結晶学的に良質の単結晶で
あるからである。この結晶構造を示した図5から直ちに
わかるように、結晶は各元素のブロックが層状構造を取
っており、最も下部の層から・・・CuO2 −SrO−
(BiO−BiO)−SrO−CuO2 −CaO−Cu
2 ・・・という繰り返し構造になっている。超電導
は、この構造でCuO2 −CaO−CuO2 層のCuO
2 面が担っており、この2層のCuO2 間の他の層、特
に(BiO−BiO)の2重層は超電導が弱い層である
という実験結果が報告されている。ここで強調される不
純物とは、単にBi、Sr、Ca、Cu、Oと置換され
る不純物元素を指すものではなく、各ブロック層に入る
層状欠陥(Intergrowth) を意味するものである。特に、
不純物層として知られているものは、CuO2 −Ca層
が図5の構造から欠けたBi2 Sr2 CuO6 、及びC
uO2 −Ca層が挿入されたBi2 Sr2 Ca2 Cu3
10である。詳細な高分解能電子顕微鏡を用いた精密測
定によると、この実施例に用いた単結晶Bi2Sr2
aCu2 8 中のこれらの不純物層の含有量は0.1%
以下である。すなわち、30μmの厚さの試料中に約1
0層の不純物層の混入が予想されるが、さらに試料を厳
選することで異相の混入のない試料を取り出すことがで
きる。この実施例には、このような試料を用いている。
しかしながら、このような不純物層が、かりにこの実施
例に使用した試料に混入していてジョセフソン接合とし
ての特性を与えているとするなら、図4の電流電圧特性
で見られたような微小なステップはせいぜい10個程度
しか期待されず、従って、図4で見られたような多数の
ステップは、そのような不純物層の混入によるものでは
ないことは明白である。第二には、上記の点とも関連す
るが、もし、この電流電圧特性の飛びが不純物層の混入
によるものであるとするなら、図4で見られたような微
小なステップが0.2−0.3mV程度の最小単位で構
成されて現れることは有り得ない。不規則な飛びの値
の、不規則な数だけ現れるのが自然である。試料に含ま
れているイン サイチュー ジョセフソン接合の数と、
電流電圧特性の基本単位の飛びから期待される接合の数
が、再現良くほぼ一致するという事実は、基本的構造に
由来した結晶構造の単位包における周期構造がジョセフ
ソン接合の基本的単位となっていることの直接的証拠で
ある。以上の2点から、Bi2 Sr2 CaCu2 8
その結晶中に固有のジョセフソン接合が形成されている
ことが結論づけられる。従って、c−軸方向に垂直な層
状結晶構造を有する酸化物系超電導体において、結晶内
c−軸方向を通電方向とするこの発明の手段によってイ
ン サイチュー型のジョセフソン接合構造が実現される
ことになる。もちろん、この発明は、以上の例によって
限定されることはなく、各種結晶において様々に可能で
ある。
[Example] The first feature of the Josephson device is as follows.
It means that the device is weakly superconducting.
This weak coupling can be directly measured by the current-voltage curve of the junction, and the critical current value Ic and the electrical resistance value Rn in the normal state can be measured.
And IcRn = constant relationship holds. And
In the case of the in-situ Josephson junction, the electrical resistance value in the normal state is defined by the specific resistivity value ρ c in the c-axis direction and the shape of the sample (cross-sectional area S and thickness t). Here, since Rn is proportional to the thickness t of the sample and inversely proportional to the cross-sectional area S, the cross-sectional area is small and the Rn value can be large in the thick sample. Since the critical current value of the sample is proportional to the cross-sectional area, IcRn = ρ c J C t
The IcRn value is proportional to the material-specific parameters ρ c and J c (critical current density) and the thickness t. Since the parameter peculiar to a substance is an amount that is determined if the substance is determined, the IcRn value is ultimately determined by the thickness of the sample. In practice, it is preferable that the current value is low for the convenience of measurement, and therefore the cross-sectional area must be small. Therefore, a good quality single crystal Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 grown from the liquid phase reaction was used as a sample, and the cross-sectional area of this sample was set to about 0.1 mm × 0.1 mm.
The thickness was 0.03 to 0.05 mm. Rn-100-
It is 300Ω. The direct current two-terminal method as shown in FIG. 1 was adopted for the measurement of the characteristics. FIG. 2 schematically shows an example of current-voltage characteristics. It can be seen that at a temperature of 67.5 k, the voltage suddenly rises near 11 mA when the current is increased, and reaches the electrical resistance in the normal state.
This means that the superconducting weak bond is broken at this point. When the current value is gradually decreased from this state, it does not coincide with the rising time as shown in FIG. 2, and the normal state continues to the low current side, and eventually becomes zero at around 6 mA. Indicates that superconductivity has been restored. Such a characteristic hysteresis phenomenon is a characteristic of the Josephson junction that is capacitively coupled. Although not shown in the figure, it is also a characteristic of the Josephson junction that a negative current value appears as a negative voltage in contrast to the case of a positive current. Such current-voltage characteristics appear in the entire temperature range from just below the critical temperature to the low temperature side. FIG. 3 shows the temperature dependence of the critical current density J c . This curve almost agrees with the Ambegaokar-Baratoff formula for J c of Josephson junctions,
The critical current density on the low temperature side is about J c (0) = 240 ± 30
A / cm 2 . Further, the critical current density J c ab in the ab- plane of the crystal has already been known from many experimental values, and J c
ab (0) to 10 5 to 10 6 A / cm 2 , the magnitude of the anisotropy γ is γ = J c ab (0) / J c = 400−.
The measured value is 4000, and the other measured results, for example, the anisotropy of the electric resistance and the anisotropy value obtained from the measured result of the magnetic torque, are consistent with the measured result. As shown in FIG. 1, for example 4.2K,
Although it appears remarkably on the low temperature side, a tail appears in the current-voltage characteristic when the current value approaches the critical current value (the curve of the rising edge of the current-voltage characteristic becomes dull). FIG. 4 is an enlarged view of this portion. The skirt of this curve is made up of many small voltage jumps, and its minimum step width is about 0.2-0.3 mV when directly read. Since the total voltage is about 3V, the number of jumps is 1 × 10 4 −1.5 × 10 4 . If the thickness of the sample is t = 30 μm, the number of in-situ Josephson junctions is 2 × (30 μm / 30Å) = 2 × 10 4 , and the number of voltage jumps and the number of in-situ Josephson junctions are almost the same. . This means that single crystal Bi 2
It has been proved that each unit cell of the crystal of Sr 2 CaCu 2 O 8 forms one Josephson junction. In addition, since the crimp type two-terminal method as shown in FIG. 1 is used as the cause of the tail of the current-voltage characteristic, about 10% of the upper and lower surface layer side of the sample is exposed to pressure and other factors. It can be considered that, due to a mechanical factor, a bond different from the internal bond state was formed (the bond strength further deteriorated due to damage). Since the base of this current-voltage characteristic appears large or small when the sample is changed and the measurement condition is changed, there are some that show a very sharp transition depending on the condition, so the nonuniformity of the Josephson junction of the sample Is considered to be a reflected result. Incidentally, from the above, the i c r n value as the basic unit of the in-situ Josephson junction can be estimated as about 0.3 mV. That is, the voltage jump is composed of a large number of small jumps when expanded, and the product of the number of jumps n and the jump voltage v is approximately equal to the voltage output V in the normal state (V to nv). This indicates that the voltage output of the voltage-current characteristic is that each superconducting layer forms a Josephson junction and is connected in series. It should be noted that the current-voltage characteristics as described above do not reflect the impurities contained in the inside of the sample, and the Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8
It is clear from the following that it is due to the inherent properties of the sample. That is, first of all,
The single crystal of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 used for the sample is
This is because it is a crystallographically high quality single crystal containing very few impurities. As can be seen immediately from FIG. 5 showing this crystal structure, the crystal has a layered structure of blocks of each element, and CuO 2 --SrO--
(BiO-BiO) -SrO-CuO 2 -CaO-Cu
It has a repeating structure of O 2 . In this structure, superconductivity is CuO 2 -CaO-CuO 2 layer CuO
It has been reported that the two surfaces are responsible, and the other layer between these two layers of CuO 2 , especially the bilayer of (BiO—BiO) is a layer with weak superconductivity. The impurities emphasized here do not simply refer to the impurity elements substituted with Bi, Sr, Ca, Cu, and O, but mean layer defects (Intergrowth) that enter each block layer. In particular,
What is known as an impurity layer is that the CuO 2 —Ca layer is missing from the structure of FIG. 5, Bi 2 Sr 2 CuO 6 , and C.
uO 2 Bi -Ca layer is inserted 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3
It is O 10 . According to a precise measurement using a detailed high resolution electron microscope, the single crystal Bi 2 Sr 2 C used in this example was
The content of these impurity layers in aCu 2 O 8 is 0.1%
It is the following. That is, about 1 in a sample with a thickness of 30 μm.
Mixing of 0 impurity layer is expected, but by carefully selecting the sample, it is possible to take out a sample free from mixing of different phases. Such a sample is used in this example.
However, if such an impurity layer is mixed in the sample used in this example to give the characteristics as a Josephson junction, it is possible to obtain the minute voltage as shown in the current-voltage characteristics of FIG. Only about 10 steps are expected, so it is clear that the large number of steps as seen in FIG. 4 is not due to the incorporation of such an impurity layer. Secondly, although related to the above point, if the jump of the current-voltage characteristic is caused by the mixing of the impurity layer, the minute step as seen in FIG. It is unlikely that it will appear in the form of a minimum unit of about 0.3 mV. Naturally, an irregular number of irregular jump values appear. The number of in situ Josephson junctions included in the sample,
The fact that the number of junctions expected from the jumping of the basic unit of the current-voltage characteristic is almost the same with good reproducibility indicates that the periodic structure in the unit envelope of the crystal structure derived from the basic structure is the basic unit of the Josephson junction. It is a direct proof of this. From the above two points, it can be concluded that Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 has an intrinsic Josephson junction formed in its crystal. Therefore, in an oxide superconductor having a layered crystal structure perpendicular to the c-axis direction, an in-situ Josephson junction structure is realized by the means of the present invention in which the in-crystal c-axis direction is the conducting direction. become. Of course, the present invention is not limited to the above examples and can be variously applied to various crystals.

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
り、高度薄膜技術や超微細技術に依存することなく、結
晶合成によってイン サイチュー型でジョセフソン接合
が形成される。結晶に付随した本質的弱接合(Intrinsic
Junction)は、単位包での個々のジョセフソン接合の直
列接続と見なすことができることから、さらに、縦方向
のジョセフソン接続を途中の層で電流制御することで多
機能の超高速スイッチング素子、マイクロ波ミキサー等
の幅広い応用が考えられ、近い将来に於ける高速、高密
度コンピューター、高感度マイクロ波通信等に大きな影
響を与えるものと考えられ、その社会的効果は極めて大
きい。
As described in detail above, according to the present invention, an in-situ Josephson junction is formed by crystal synthesis without depending on the advanced thin film technology or the ultrafine technology. Intrinsic weak junctions associated with crystals
Junction) can be regarded as a series connection of individual Josephson junctions in a unit package.In addition, by controlling the current in the vertical Josephson connection in the middle layer, a multifunctional ultra-fast switching device, a micro It is considered to have a wide range of applications such as wave mixers, and will have a great impact on high-speed, high-density computers, high-sensitivity microwave communication, etc. in the near future, and its social effect is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】試料と2端子クランプ法測定装置を例示した斜
視図である。
FIG. 1 is a perspective view illustrating a sample and a two-terminal clamp measuring device.

【図2】実施例としての電流電圧特性の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of current-voltage characteristics as an example.

【図3】臨界電流値Jc の温度依存性を示した相関図で
ある。
FIG. 3 is a correlation diagram showing the temperature dependence of the critical current value J c .

【図4】実施例としての電流電圧特性のすそ野野分の実
験チャートの拡大図である。
FIG. 4 is an enlarged view of an experiment chart of the skirt field for the current-voltage characteristic as an example.

【図5】Bi2 Sr2 CaCu2 8 の結晶構造図であ
る。
FIG. 5 is a crystal structure diagram of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 .

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 c−軸に垂直な層状結晶構造を有する酸
化物系超電導体において、結晶内c−軸方向を通電方向
とすることを特徴とするイン サイチュー型ジョセフソ
ン接合構造。
1. An in-situ Josephson junction structure, characterized in that, in an oxide-based superconductor having a layered crystal structure perpendicular to the c-axis, the in-crystal c-axis direction is the conducting direction.
【請求項2】 結晶が単結晶もしくは単結晶近似の結晶
性を有する多結晶体からなる請求項1のジョセフソン接
合構造。
2. The Josephson junction structure according to claim 1, wherein the crystal is a single crystal or a polycrystalline body having crystallinity close to that of a single crystal.
【請求項3】 結晶が溶融法で作成された単結晶である
請求項1のジョセフソン接合構造。
3. The Josephson junction structure according to claim 1, wherein the crystal is a single crystal produced by a melting method.
【請求項4】 結晶が気相法で作成された単結晶である
請求項1のジョセフソン接合構造。
4. The Josephson junction structure according to claim 1, wherein the crystal is a single crystal prepared by a vapor phase method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08264852A (en) * 1995-03-23 1996-10-11 Yuseisho Tsushin Sogo Kenkyusho Formation of josephson element
US5856204A (en) * 1995-09-28 1999-01-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Tunnel-type Josephson element and method for manufacturing the same

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JPS6411376A (en) * 1987-07-06 1989-01-13 Hitachi Ltd Josephson element with oxide superconductor

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