JPH08306975A - 静電ジョセフソン干渉素子 - Google Patents
静電ジョセフソン干渉素子Info
- Publication number
- JPH08306975A JPH08306975A JP7113067A JP11306795A JPH08306975A JP H08306975 A JPH08306975 A JP H08306975A JP 7113067 A JP7113067 A JP 7113067A JP 11306795 A JP11306795 A JP 11306795A JP H08306975 A JPH08306975 A JP H08306975A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- superconducting
- electrostatic
- normal conductor
- branch
- josephson
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 高温下で電流比のオン・オフ比（ピークバレ
ー比）が大きく、磁場を用いることなく、また低消費電
力の静電ジョセフソン干渉素子を提供する。 【構成】 超伝導リングで分岐した２つの枝の一部にノ
ーマル導体３，４を設けジョセフソン接合を形成し、ど
ちらか一方のノーマル導体部分に静電圧を印加し、ジョ
セフソン電流を自由に制御する。
ー比）が大きく、磁場を用いることなく、また低消費電
力の静電ジョセフソン干渉素子を提供する。 【構成】 超伝導リングで分岐した２つの枝の一部にノ
ーマル導体３，４を設けジョセフソン接合を形成し、ど
ちらか一方のノーマル導体部分に静電圧を印加し、ジョ
セフソン電流を自由に制御する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超伝導体及びノーマル導
体を用いた高速・高感度デバイスに関し、特に電子波の
性質を利用した静電ジョセフソン干渉素子に関する。
体を用いた高速・高感度デバイスに関し、特に電子波の
性質を利用した静電ジョセフソン干渉素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の超伝導リングを用いた素子は主に
磁場をリングの中心に印加しリングの電流及びコンダク
タンスの制御が行われていた。超伝導リングの中心に磁
場が印加されている場合、上下２つの枝を通過する電子
の波動関数の位相は、それぞれθ及び−θずれ、それに
より超伝導リングのジョセフソン電流は磁場関数として
周期的に振動する。
磁場をリングの中心に印加しリングの電流及びコンダク
タンスの制御が行われていた。超伝導リングの中心に磁
場が印加されている場合、上下２つの枝を通過する電子
の波動関数の位相は、それぞれθ及び−θずれ、それに
より超伝導リングのジョセフソン電流は磁場関数として
周期的に振動する。
【０００３】最近１０年の微細加工、結晶成長技術はめ
ざましいものがあり、近年ではノーマルメタルにおいて
も低温では、位相コヒーレントなサンプルを作製可能で
ある。このような状況では、サンプルを通過する電子
は、超伝導体中や真空中を運動する電子のごとくバリス
ティクに運動する。
ざましいものがあり、近年ではノーマルメタルにおいて
も低温では、位相コヒーレントなサンプルを作製可能で
ある。このような状況では、サンプルを通過する電子
は、超伝導体中や真空中を運動する電子のごとくバリス
ティクに運動する。
【０００４】このような微細リングに磁場あるいは静電
ポテンシャルを作用させてコンダクタンスを制御する実
験はＳ．Ｄａｔｔａ ｅｔ．ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ（アプライド フィ
ジックス レターズ）４８、Ｐ４８７（１９８６）及び
Ｐ．Ｖｅｇａｒ ｅｔ．ａｌ．，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅ
ｖｉｅｗ Ｂ（フィジカル レビュー ビー）４０、Ｐ
３４９１（１９８９）に記載されている。このような素
子はノーマルメタルであるがゆえに、コンダクタンスを
磁場及び静電ポテンシャルの関数として高いピークバレ
ー比（論理回路の１と０）を得るためには数ケルビンの
温度にしなければならず、それ以上温度が高いとピーク
バレー比が１／Ｔに比例して減少してしまう。またサン
プルサイズは数千オングストローム程度に加工しなけれ
ばならない等の欠点を持っている。
ポテンシャルを作用させてコンダクタンスを制御する実
験はＳ．Ｄａｔｔａ ｅｔ．ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ（アプライド フィ
ジックス レターズ）４８、Ｐ４８７（１９８６）及び
Ｐ．Ｖｅｇａｒ ｅｔ．ａｌ．，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅ
ｖｉｅｗ Ｂ（フィジカル レビュー ビー）４０、Ｐ
３４９１（１９８９）に記載されている。このような素
子はノーマルメタルであるがゆえに、コンダクタンスを
磁場及び静電ポテンシャルの関数として高いピークバレ
ー比（論理回路の１と０）を得るためには数ケルビンの
温度にしなければならず、それ以上温度が高いとピーク
バレー比が１／Ｔに比例して減少してしまう。またサン
プルサイズは数千オングストローム程度に加工しなけれ
ばならない等の欠点を持っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】Ｔc の高い超伝導であ
れば、ノーマルメタルと比較し少なくとも１００Ｋ以上
高い温度での動作が可能となる。磁場により電流を制御
するものはＳＱＵＩＤとして知られているがデバイス応
用上は磁場よりも静電圧の方が好ましい。超伝導体にお
いては電子密度が一般的に半導体よりもかなり高く上下
の枝の位相差を設けるためには強大な電圧が必要とな
る。また一般に超伝導状態においては抵抗はほとんど０
で電圧差が生じないために、電圧による十分な電流の制
御はほとんど不可能である。
れば、ノーマルメタルと比較し少なくとも１００Ｋ以上
高い温度での動作が可能となる。磁場により電流を制御
するものはＳＱＵＩＤとして知られているがデバイス応
用上は磁場よりも静電圧の方が好ましい。超伝導体にお
いては電子密度が一般的に半導体よりもかなり高く上下
の枝の位相差を設けるためには強大な電圧が必要とな
る。また一般に超伝導状態においては抵抗はほとんど０
で電圧差が生じないために、電圧による十分な電流の制
御はほとんど不可能である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の静電ジョセフソ
ン干渉素子は、２つの端子間で、互いの電気特性の等し
い第１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐で接続され、第
１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐のそれぞれ途中にノ
ーマル導体接合を設けた超伝導リングを有し、少なくと
も一方の超伝導分岐のノーマル導体に静電圧を印加し
て、第１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐の間に電子密
度の差を発生させ、電流及びコンダクタンスを制御する
ことを特徴とする。また第１の超伝導分岐と前記第２の
超伝導分岐のそれぞれ途中に複数のノーマル導体接合を
設けたことを特徴とする。また静電ジョセフソン干渉素
子を直列に接続したことを特徴とする。また、端子と超
伝導リングの間にノーマル導体を挿入し、前記ノーマル
導体が共鳴トンネル障壁構造を有することを特徴とす
る。
ン干渉素子は、２つの端子間で、互いの電気特性の等し
い第１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐で接続され、第
１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐のそれぞれ途中にノ
ーマル導体接合を設けた超伝導リングを有し、少なくと
も一方の超伝導分岐のノーマル導体に静電圧を印加し
て、第１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐の間に電子密
度の差を発生させ、電流及びコンダクタンスを制御する
ことを特徴とする。また第１の超伝導分岐と前記第２の
超伝導分岐のそれぞれ途中に複数のノーマル導体接合を
設けたことを特徴とする。また静電ジョセフソン干渉素
子を直列に接続したことを特徴とする。また、端子と超
伝導リングの間にノーマル導体を挿入し、前記ノーマル
導体が共鳴トンネル障壁構造を有することを特徴とす
る。
【０００７】
【作用】本発明では超伝導体−ノーマル導体−超伝導体
のＳＮＳサンドイッチ構造を用いて、超伝導リングの上
下のジョセフソン電流の一方のノーマル領域に静電圧を
かけることにより、上下の枝を通過する電子の波数（キ
ャリア密度）に勾配が発生し、電流が静電圧の関数とし
て振動する。
のＳＮＳサンドイッチ構造を用いて、超伝導リングの上
下のジョセフソン電流の一方のノーマル領域に静電圧を
かけることにより、上下の枝を通過する電子の波数（キ
ャリア密度）に勾配が発生し、電流が静電圧の関数とし
て振動する。
【０００８】
【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【０００９】本発明の第１の実施例の模式図を図１に示
す。図１（ａ）は第１の実施例の模式図を示している。
同図において１はソース電極、６ａはドレイン電極、
２，６は超伝導リングの分岐点、３，４はノーマル導
体、５はゲート電極である。
す。図１（ａ）は第１の実施例の模式図を示している。
同図において１はソース電極、６ａはドレイン電極、
２，６は超伝導リングの分岐点、３，４はノーマル導
体、５はゲート電極である。
【００１０】ソース電極１から出た電子は超伝導体２の
２つ分岐で等確率で分配される。２つに分かれた電子
は、さらにノーマル導体３，４をそれぞれ通過し超伝導
体６で再び合流する。
２つ分岐で等確率で分配される。２つに分かれた電子
は、さらにノーマル導体３，４をそれぞれ通過し超伝導
体６で再び合流する。
【００１１】ここで図１（ａ）のように片側のジョセフ
ソン接合のあるゲート電極５に静電圧ＶG を印加するこ
とによりノーマル導体４を通過してきた電子の波数は、
ソン接合のあるゲート電極５に静電圧ＶG を印加するこ
とによりノーマル導体４を通過してきた電子の波数は、
【００１２】
【数１】
【００１３】から
【００１４】
【数２】
【００１５】に変化する。一方ノーマル導体３を通過し
た電子の波数は
た電子の波数は
【００１６】
【数３】
【００１７】である。これにより、上下の分岐で電子密
度の差が生じて超伝導体６に到達した電子の確率分布
は、ゲート電極にかける静電圧ＶG によって変調され
る。つまり、静電圧（磁場０）で電流の変調が可能とな
る。
度の差が生じて超伝導体６に到達した電子の確率分布
は、ゲート電極にかける静電圧ＶG によって変調され
る。つまり、静電圧（磁場０）で電流の変調が可能とな
る。
【００１８】もし磁場も静電ポテンシャルもなければ、
系のジョセフソン電流Ｊtot は
系のジョセフソン電流Ｊtot は
【００１９】
【数４】
【００２０】δ0 は超伝導体間の位相のずれである。Ｋ
は比例定数となりδ0 ≠ｎπのときに一定のＪtot が得
られる。
は比例定数となりδ0 ≠ｎπのときに一定のＪtot が得
られる。
【００２１】もしノーマル導体４にゲート電極５にゲー
ト電圧ＶG を印加すれば、
ト電圧ＶG を印加すれば、
【００２２】
【数５】
【００２３】となりＪtot は図１（ｂ）に示すように、
φの関数として振幅
φの関数として振幅
【００２４】
【数６】
【００２５】で振動する。ゲート電極５でのゲート電圧
を数ｍＶ印加することにより、数周期の変調が可能とな
る。
を数ｍＶ印加することにより、数周期の変調が可能とな
る。
【００２６】本発明の第２の実施例を図２に示す。図２
（ａ）は第２の実施例の模式図を示す。同図において７
はソース電極、１４はドレイン電極、１３は超伝導体、
９，１０，１１はノーマル導体、１２はゲート電極であ
る。図２（ａ）に示すように超伝導リングの上下に対向
するノーマル導体９，１０，１１が配置されジョセフソ
ン接合を形成している。ゲート電極１２は上下の一方の
これを複数個にすることによって、ジョセフソン電流の
振動周期を増加させ、より低電圧で素子動作を可能とす
る。図２（ｂ）は３個ずつの接合が形成されている場合
のもので振動を１周期変化させるのに要する電圧は１／
３となる。したがって、上下Ｎ個ずつの場合、電圧は１
／Ｎとなる。
（ａ）は第２の実施例の模式図を示す。同図において７
はソース電極、１４はドレイン電極、１３は超伝導体、
９，１０，１１はノーマル導体、１２はゲート電極であ
る。図２（ａ）に示すように超伝導リングの上下に対向
するノーマル導体９，１０，１１が配置されジョセフソ
ン接合を形成している。ゲート電極１２は上下の一方の
これを複数個にすることによって、ジョセフソン電流の
振動周期を増加させ、より低電圧で素子動作を可能とす
る。図２（ｂ）は３個ずつの接合が形成されている場合
のもので振動を１周期変化させるのに要する電圧は１／
３となる。したがって、上下Ｎ個ずつの場合、電圧は１
／Ｎとなる。
【００２７】図３は本発明の第３の実施例を示す図であ
る。図３（ａ）は第３の実施例の模式図である。同図に
おいて、１５はソース電極、１７，１９，２１はジョセ
フソン接合、１６，１８，２０，２２はノーマル導体
線、２３，２４，２５はゲート電極、２６はドレイン電
極を示している。第３の実施例は第１の実施例と同様に
超伝導体にノーマル導体が設けられ、一方のノーマル導
体にゲート電極が設置されている。このような超伝導リ
ングがノーマル導体線１６，１８，２０，２２により各
々の超伝導リング及びソース電極１５、ドレイン電極２
６とつながっている。第３の実施例では図に示すように
３個の超伝導リングを直列に配列してある。
る。図３（ａ）は第３の実施例の模式図である。同図に
おいて、１５はソース電極、１７，１９，２１はジョセ
フソン接合、１６，１８，２０，２２はノーマル導体
線、２３，２４，２５はゲート電極、２６はドレイン電
極を示している。第３の実施例は第１の実施例と同様に
超伝導体にノーマル導体が設けられ、一方のノーマル導
体にゲート電極が設置されている。このような超伝導リ
ングがノーマル導体線１６，１８，２０，２２により各
々の超伝導リング及びソース電極１５、ドレイン電極２
６とつながっている。第３の実施例では図に示すように
３個の超伝導リングを直列に配列してある。
【００２８】第３の実施例の動作を説明する。ソース電
極１５から出た電子はそれぞれのジョセフソン接合やノ
ーマル導体線を通過しドレイン電極２６に到達する。な
お、ゲート電極２３，２４，２５におけるゲート電圧を
変調することにより、全系の導体が変調される。ノーマ
ル導体線１６，１８，２０，２２がすべて等しい長さＬ
とすると、ｋＬ＝ｎπ（ｋは電子の波数）のときに系の
導体には図３（ｂ）のようにファブリーペロー型のパル
ス的共鳴ピークが生じる。このときのピーク幅は連結さ
れた超伝導リングの数を増加することにより狭くなり、
ピークとバレーの区別（論理回路の１．０）が明瞭とな
る。本実施例では超伝導リングどうしをつなぐ線として
ノーマル導体を用いたが超伝導線でもよい。
極１５から出た電子はそれぞれのジョセフソン接合やノ
ーマル導体線を通過しドレイン電極２６に到達する。な
お、ゲート電極２３，２４，２５におけるゲート電圧を
変調することにより、全系の導体が変調される。ノーマ
ル導体線１６，１８，２０，２２がすべて等しい長さＬ
とすると、ｋＬ＝ｎπ（ｋは電子の波数）のときに系の
導体には図３（ｂ）のようにファブリーペロー型のパル
ス的共鳴ピークが生じる。このときのピーク幅は連結さ
れた超伝導リングの数を増加することにより狭くなり、
ピークとバレーの区別（論理回路の１．０）が明瞭とな
る。本実施例では超伝導リングどうしをつなぐ線として
ノーマル導体を用いたが超伝導線でもよい。
【００２９】図４に本発明の第４の実施例を示す図であ
る。図４（ａ）に第４の実施例の模式図を示す。図中１
５はソース電極、２７，３２は共鳴トンネル障壁構造、
２８，３１は超伝導体、２９，３０はノーマル導体、３
３はドレイン電極を示している。第４の実施例は超伝導
体２８の分岐部とソース電極の間及び超伝導体３１の合
流部とドレイン電極の間にノーマル導体の共鳴トンネル
障壁構造を配置されている以外は第１の実施例と同様の
構成である。
る。図４（ａ）に第４の実施例の模式図を示す。図中１
５はソース電極、２７，３２は共鳴トンネル障壁構造、
２８，３１は超伝導体、２９，３０はノーマル導体、３
３はドレイン電極を示している。第４の実施例は超伝導
体２８の分岐部とソース電極の間及び超伝導体３１の合
流部とドレイン電極の間にノーマル導体の共鳴トンネル
障壁構造を配置されている以外は第１の実施例と同様の
構成である。
【００３０】ソース電極から出た電子が選択的に共鳴ト
ンネル障壁構造を通過して、完全透過（全系の透過確率
１）の状態を減少させる。したがって両端にバリアがな
い第１の実施例よりも、急激なコンダクタンス変化を可
能とし、スイッチング比を大きくとることができる。
ンネル障壁構造を通過して、完全透過（全系の透過確率
１）の状態を減少させる。したがって両端にバリアがな
い第１の実施例よりも、急激なコンダクタンス変化を可
能とし、スイッチング比を大きくとることができる。
【００３１】ここでＶG を変調することにより図４
（ｂ）に示すようにゲート電圧の関数としてコンダクタ
ンスの［１，０］の状態をコントロールできる。なお、
スイッチング比の調整は両サイドの共振トンネル障壁構
造の厚みを増加することによって得られる。
（ｂ）に示すようにゲート電圧の関数としてコンダクタ
ンスの［１，０］の状態をコントロールできる。なお、
スイッチング比の調整は両サイドの共振トンネル障壁構
造の厚みを増加することによって得られる。
【００３２】以上の実施例において超伝導は金属系、セ
ラミック系、有機材料系、材質にはよらないが、その超
伝導転移温度が高い方が好ましく、また、ノーマルコン
ダクタとしてはＧａＡｓ等の半導体を用いることもでき
る。共鳴トンネル障壁構造は例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓの半導体により形成することが可能である。
ラミック系、有機材料系、材質にはよらないが、その超
伝導転移温度が高い方が好ましく、また、ノーマルコン
ダクタとしてはＧａＡｓ等の半導体を用いることもでき
る。共鳴トンネル障壁構造は例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓの半導体により形成することが可能である。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば従来より高温下で、電流
比のオン・オフ比（ピークバレー比）の大きいジョセフ
ソン干渉計を磁場を介さず直接電気的に制御することが
できる。
比のオン・オフ比（ピークバレー比）の大きいジョセフ
ソン干渉計を磁場を介さず直接電気的に制御することが
できる。
【図１】本発明の第１の実施例を示す模式図及び第１の
実施例の電流変調特性を示す図である。
実施例の電流変調特性を示す図である。
【図２】本発明の複合接合を有する第２の実施例を示す
模式図及び第２の実施例の電流変調特性を示す図であ
る。
模式図及び第２の実施例の電流変調特性を示す図であ
る。
【図３】本発明の直列に接続した第３の実施例を示す模
式図及び第３の実施例の電流変調特性を示す図である。
式図及び第３の実施例の電流変調特性を示す図である。
【図４】本発明の両端子に共鳴トンネル障壁構造を有す
る第４の実施例を示す模式図及び第４の実施例の電流変
調特性を示す図である。
る第４の実施例を示す模式図及び第４の実施例の電流変
調特性を示す図である。
１ ソース電極 ２ 超伝導リングの分岐点 ３ ノーマル導体 ４ ノーマル導体 ５ ゲート電極 ６ 超伝導リングの分岐点 ７ ソース電極 ８ 超伝導体 ９ ノーマル導体 １０ ノーマル導体 １１ ノーマル導体 １２ ゲート電極 １３ 超伝導体 １４ ドレイン電極 １５ ソース電極 １６ ノーマル導体線 １７ ジョセフソン接合 １８ ノーマル導体線 １９ ジョセフソン接合 ２０ ノーマル導体線 ２１ ジョセフソン接合 ２２ ノーマル導体線 ２３ ゲート電極 ２４ ゲート電極 ２５ ゲート電極 ２６ ドレイン電極 ２７ 共鳴トンネル障壁構造 ２８ 超伝導体 ２９ ノーマル導体 ３０ ノーマル導体 ３１ 超伝導体 ３２ 共鳴トンネル障壁層 ３３ ドレイン電極
Claims (4)
- 【請求項１】２つの端子間で、互いの電気特性の等しい
第１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐で接続され、第１
の超伝導分岐と第２の超伝導分岐のそれぞれ途中にノー
マル導体接合を設けた超伝導リングを有し、少なくとも
一方の超伝導分岐のノーマル導体に静電圧を印加して、
第１の超伝導分岐と第２の超伝導分岐の間に電子密度の
差を発生させ、電流及びコンダクタンスを制御すること
を特徴とする静電ジョセフソン干渉素子。 - 【請求項２】前記第１の超伝導分岐と前記第２の超伝導
分岐のそれぞれ途中に複数のノーマル導体接合を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の静電ジョセフソン干渉
素子。 - 【請求項３】前記静電ジョセフソン干渉素子を直列に接
続したことを特徴とする請求項１記載の静電ジョセフソ
ン干渉素子。 - 【請求項４】前記端子と超伝導リングの間にノーマル導
体を挿入し、前記ノーマル導体が共鳴トンネル障壁構造
を有することを特徴とする請求項１記載の静電ジョセフ
ソン干渉素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7113067A JP2978738B2 (ja) | 1995-05-11 | 1995-05-11 | 静電ジョセフソン干渉素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7113067A JP2978738B2 (ja) | 1995-05-11 | 1995-05-11 | 静電ジョセフソン干渉素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08306975A true JPH08306975A (ja) | 1996-11-22 |
| JP2978738B2 JP2978738B2 (ja) | 1999-11-15 |
Family
ID=14602670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7113067A Expired - Fee Related JP2978738B2 (ja) | 1995-05-11 | 1995-05-11 | 静電ジョセフソン干渉素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2978738B2 (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63280473A (ja) * | 1987-05-12 | 1988-11-17 | Mitsubishi Electric Corp | スイッチング素子 |
| JPH0260176A (ja) * | 1988-08-26 | 1990-02-28 | Japan Aviation Electron Ind Ltd | アハロノフ・ボーム効果トランジスタ |
-
1995
- 1995-05-11 JP JP7113067A patent/JP2978738B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63280473A (ja) * | 1987-05-12 | 1988-11-17 | Mitsubishi Electric Corp | スイッチング素子 |
| JPH0260176A (ja) * | 1988-08-26 | 1990-02-28 | Japan Aviation Electron Ind Ltd | アハロノフ・ボーム効果トランジスタ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2978738B2 (ja) | 1999-11-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19970909 |
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