JPH10282196A - 超伝導量子干渉素子およびそれを用いた非破壊検査装置 - Google Patents
超伝導量子干渉素子およびそれを用いた非破壊検査装置Info
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- JPH10282196A JPH10282196A JP9081676A JP8167697A JPH10282196A JP H10282196 A JPH10282196 A JP H10282196A JP 9081676 A JP9081676 A JP 9081676A JP 8167697 A JP8167697 A JP 8167697A JP H10282196 A JPH10282196 A JP H10282196A
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Abstract
する超伝導量子干渉素子に関し、超伝導量子干渉素子で
測定試料から発生する磁束分布を測定する際、高い温度
の試料に対しても、測定可能な素子構造とすること。 【解決手段】 SQUIDの検出コイルを、ジョセフソ
ン接合を構成する超伝導薄膜材料の臨界温度より高い臨
界温度を持つ超伝導薄膜材料で構成したものである。上
記検出コイルの臨界温度を、ジョセフソン接合部より高
くすることにより、試料の温度がジョセフソン接合部の
臨界温度より高い状態においても、測定可能となる。
Description
流、電圧、電磁波などを検出する超伝導量子干渉素子
(Superconducting QUantum
Interference Device:以下SQU
IDと略す)に関し、特に、高空間分解能を有するSQ
UID磁束計の検出コイルの構造に関する。
である。基板6上に、ジョセフソン接合1とワッシャー
コイル2と検出コイル3からなる超伝導リングを形成し
ている。図9において、ジョセフソソン接合1は簡易的
に記号で表している。ワッシャーコイル2には、SQU
IDをFLL駆動するための帰還変調コイル4が磁気結
合されている。検出コイルで検出される磁束は、直接超
伝導リングに結合される。このSQUIDは、ジョセフ
ソン接合1をはじめ、検出コイル3など、構成する全て
の要素が基板6上に超伝導薄膜で形成される集積型SQ
UIDである。SQUIDを構成する超伝導薄膜はNb
薄膜であり、ジョセフソン接合にはNb/Al−AlO
x/Nbトンネル接合が使用される。
された走査型SQUID顕微鏡である。試料12は試料
ホルダー13上に取り付けられる。SQUID10はS
QUIDホルダー14にマウントされ、XYZ走査制御
装置15により試料12表面を走査する。SQUID1
0、試料12、試料ホルダー13、SQUIDホルダー
14はクライオスタット11内の真空層17に納められ
ている。真空層17内は、冷媒である液体ヘリウム16
によって冷却されている。
クロの領域における磁場分布を測定する。SQUID顕
微鏡の空間分解能を向上させるため、検出コイル3を小
型化する必要がある。そこで、SQUID10は、検出
コイルを一体化させたコンパクトな構造をもち、超伝導
薄膜によって集積化することで実現される。さらに、検
出コイル3と試料12を近接させることも必要となる。
可変にすることが要求される。例えば、試料の温度を、
SQUIDを構成している超伝導体の臨界温度より高い
温度にし、測定することもある。しかし、従来のSQU
IDでは、試料12に近接して配置されている検出コイ
ル3付近の温度が検出コイルの臨界温度を越えてしま
う。この場合、検出コイルは超伝導状態を維持すること
ができず、磁束を検出することができなくなる。
能を向上させつつ、試料の温度を可変にすることは困難
を要する。
IDはジョセフソン接合部と検出コイルを同じ超伝導薄
膜で構成しているため、ジョセフソン接合部の臨界温度
と検出コイルの臨界温度が等しくなっている。このSQ
UIDを用いてSQUID顕微鏡を構成し、試料の温度
をSQUIDの臨界温度より高い状態で計測する場合、
試料に近接配置されている検出コイル付近の温度がその
臨界温度を越えてしまうことがある。このとき、検出コ
イルは超伝導状態を維持することができず、磁束を検出
することができなくなる。
ために、本発明は、SQUIDの検出コイルを、ジョセ
フソン接合を構成する超伝導薄膜材料の臨界温度より高
い臨界温度を持つ超伝導薄膜材料で形成することとして
いる。そして、このような高い臨界温度を持つ検出コイ
ルからなるSQUIDを用いて、SQUID顕微鏡を構
成する場合、試料温度がジョセフソン接合部の臨界温度
より高い状態であっても、検出コイルを試料に近接して
測定を行うことができる。
形成した、検出コイルを一体化した集積型SQUIDの
検出コイルを、ジョセフソン接合を構成する超伝導薄膜
材料の臨界温度より高い臨界温度を持つ超伝導薄膜材料
で構成したものである。以下に本発明の実施例について
図面を参照して説明する。
Dの構成図である。基板6上に超伝導薄膜で、2つのジ
ョセフソン接合1とワッシャーコイル2と検出コイル3
からなる超伝導リングを形成している。この構造は、超
伝導リングの一部を検出コイルとして使用する直接結合
方式と呼ばれる。ジョセフソン接合1は簡易的に記号で
表している。また、SQUIDをFLL駆動するための
帰還変調コイル4がワッシャーコイルに磁気結合されて
いる。SQUIDを構成する全ての要素を、超伝導薄膜
で基板6上に集積形成することで、SQUIDを小型化
し、高い空間分解能をもつ構造にしている。 検出コイ
ル3は、ジョセフソン接合部分を形成する超伝導薄膜材
料の臨界温度より高い臨界温度をもつ超伝導薄膜材料で
形成され、超伝導接続部8でワッシャーコイルと接続さ
れている。例えば、ジョセフソン接合1にはNb/Al
−AlOx/Nbのトンネル接合を用いた場合、検出コ
イル3にはNbNや高温超伝導材料であるYBCOとい
った臨界温度の高い超伝導薄膜を採用する。
たSQUID顕微鏡の構成図を示す。試料12は試料ホ
ルダー13上に取り付けられる。SQUID10はSQ
UIDホルダー14にマウントされ、XYZ走査制御装
置15により試料12表面を走査する。SQUID1
0、試料12、試料ホルダー13、SQUIDホルダー
14はクライオスタット11内の真空層17に納められ
ている。真空層17内は、冷媒である液体ヘリウム16
によって冷却される。試料12は温度制御装置18で、
温度の可変が可能である。SQUID10はジョセフソ
ン接合部と検出コイルとの間で温度勾配が得られるよう
に、傾けて設置されている。さらに、SQUID10
は、試料12に対し、検出コイル3が近く、ジョセフソ
ン接合部が遠くなるように設置される。
温度がその臨界温度より低く、試料の温度がジョセフソ
ン接合部の臨界温度より高いという温度勾配をもつ状態
で、磁束の測定が可能となる。この際、試料と検出コイ
ルを近接させても、検出コイルの臨界温度が高いため、
SQUID全体を超伝導状態に維持することが可能とな
る。
としてNbを例にとったが、NbN、PbやYBCOな
どのSQUIDを構成できる超伝導薄膜材料あれば、ど
んなものでも良く、検出コイルの材料をジョセフソン接
合の臨界温度より高いものにすることで、同様の効果を
得ることができる。また、冷媒についても、ジョセフソ
ン接合の臨界温度に対応できる冷媒であれば、液体窒素
など、どんなものでも良い。さらに、冷凍器を使用する
こともできる。
IDの構成図である。基板6上に超伝導薄膜で、2つの
ジョセフソン接合1とワッシャーコイル2を形成してい
る。また、帰還変調コイル4がワッシャーコイルに磁気
結合されている。検出コイル3は、ジョセフソン接合1
とは異なる検出コイル基板7に形成されている。また、
検出コイル3は、ジョセフソン接合部分を形成する超伝
導薄膜材料の臨界温度より高い臨界温度をもつ超伝導薄
膜材料で形成される。基板6と検出コイル基板7を張り
合わせ、超伝導接続部8を超伝導バンプなどを用いて圧
着することにより、検出コイル3とワッシャーコイル2
を超伝導接続し、超伝導リングを構成する。
機能を持つ検出コイルの採用、また、測定中の試料温度
に応じた検出コイルの採用など、その用途に適した検出
コイルを選択できるという利点を持つ。また、本実施例
では基板6と検出コイル基板7を圧着により接続してい
るが、PnInAuなどからなる超伝導ワイヤーでボン
ディング接続することも可能である。
IDの構成図である。基板6上に超伝導薄膜で、2つの
ジョセフソン接合1とワッシャーコイル2からなる超伝
導リングを形成している。また、帰還変調コイル4と、
検出コイルで検出した磁束をワッシャーコイル2に伝達
するための入力コイル5が設けられ、それぞれワッシャ
ーコイル2に磁気結合されている。検出コイル3は、ジ
ョセフソン接合部分を形成する超伝導薄膜材料の臨界温
度より高い臨界温度をもつ超伝導薄膜材料で形成され、
超伝導接続部8で入力コイル5と接続されている。
IDの構成図である。第3実施例に示したSQUIDに
おいて、検出コイル3をジョセフソン接合部と異なる検
出コイル基板7上に形成し、両者を張り合わせ、入力コ
イル5と超伝導接続する。本実施例も、第2実施例同
様、その用途に適した検出コイルを選択できるという利
点を持つ。
IDの構成図である。第3実施例に示したSQUIDに
おいて、検出コイル3と入力コイル5からなる超伝導ル
ープ全体が、ジョセフソン接合部分を形成する超伝導薄
膜材料の臨界温度より高い臨界温度をもつ超伝導薄膜材
料で形成されている。本実施例は、検出コイルと入力コ
イルの超伝導接続を必要としないため、作製が容易とな
る。
IDの構成図である。基板6上に超伝導薄膜で、2つの
ジョセフソン接合1とワッシャーコイル2からなる超伝
導リングを形成している。また、帰還変調コイル4がワ
ッシャーコイル2に磁気結合されている。検出コイル3
と入力コイル5からなる超伝導ループが、ジョセフソン
接合部と異なる検出コイル基板7上に、ジョセフソン接
合部分を形成する超伝導薄膜材料の臨界温度より高い臨
界温度をもつ超伝導薄膜材料で形成される。基板6と検
出コイル基板7は、入力コイル7とワッシャーコイル2
が磁気結合するように張り合わされる。本実施例は、異
なる超伝導材料を別々の基板に形成でき、さらに、超伝
導接続を必要としないため、超伝導接続が難しい、Nb
系超伝導体からなるSQUIDと高温超伝導体からなる
検出コイルの組み合わせを容易にする。
IDの構成図を示す。検出コイル3を持つSQUIDを
形成している基板6と、検出コイル3と入力コイルとか
らなる超伝導ループを形成している検出コイル基板7と
を張り合わせている。基板6上の検出コイル3と検出コ
イル基板7の入力コイル5が磁気結合することで、検出
コイル基板7上の検出コイル3で検出された磁束が、そ
の入力コイルからSQUID基板6の検出コイル3に伝
達される。本実施例のように、複数の検出コイル基板を
使用することにより、検出コイルの形状の変更が可能と
なる。また、臨界温度の異なる検出コイル基板を組み合
わせることにより、試料温度とジョセフソン接合の臨界
温度に大きな差がある場合にも対応できる。
の一部を、ジョセフソン接合部の臨界温度より高い臨界
温度を持つ超伝導薄膜材料で形成し、その部分を上記検
出コイルとしてを使用することにより、超伝導リングで
直接磁場を検出する構造にすることもできる。また、超
伝導リングの一部である上記検出コイルを、ジョセフソ
ン接合部とは異なる基板上に形成した後、ジョセフソン
接合を含む本体部分と張り合わせ、超伝導接続すること
により、検出コイルを一体化させることも可能である。
入力コイルを設け、上記検出コイルをその入力コイルと
超伝導接続することにより、上記検出コイルで検出した
磁束を入力コイルを介して、超伝導リングに伝達させる
構造にすることも可能である。そして、上記入力コイル
と上記検出コイルで構成される超伝導ループ全体を、ジ
ョセフソン接合部より高い臨界温度を持つ超伝導薄膜材
料で形成することも可能である。
構成される超伝導ループを、ジョセフソン接合部と異な
る基板上に形成した後、ジョセフソン接合を含む本体部
分と張り合わせ、入力コイルと超伝導リングを磁気結合
させることも可能である。
下に記載されるような効果を有する。検出コイルを、ジ
ョセフソン接合を構成する超伝導薄膜材料の臨界温度よ
り高い臨界温度を持つ超伝導薄膜材料で構成することに
より、SQUIDを用いて構成されるSQUID顕微鏡
で試料の磁場分布を測定する際、試料温度がジョセフソ
ン接合部の臨界温度より高い状態においても、その測定
が可能となる。
部と異なる基板上に形成した後、ジョセフソン接合を含
む本体部分と張り合わせ、超伝導接続して検出コイルを
一体化することによって、種々の大きさや機能を持つ検
出コイルの採用、また、試料温度に応じた検出コイルの
採用など、その用途に適した検出コイルを選択できると
いう利点を持たせることができる。
入力コイルを設け、検出コイルと入力コイルからなる超
伝導ループ全体を、ジョセフソン接合部分を形成する超
伝導薄膜材料の材料の臨界温度より高い臨界温度をもつ
超伝導薄膜材料で形成することにより、検出コイルと入
力コイルの超伝導接続を必要としないため、その作製を
容易にすることができる。
れる超伝導ループを、ジョセフソン接合部と異なる基板
上に形成した後、ジョセフソン接合を含む本体部分と張
り合わせ、入力コイルと超伝導リングを磁気結合させる
ことにより、異なる超伝導材料を別々の基板に形成で
き、さらに、超伝導接続を必要としないため、超伝導接
続が難しい、Nb系超伝導体からなるSQUIDと高温
超伝導体からなる検出コイルの組み合わせを容易にす
る。
である。
ID顕微鏡の構成図である。
である。
である。
である。
である。
である。
である。
QUID顕微鏡の構成図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 ジョセフソン接合を含む超伝導リング
と、超伝導リングに磁気結合された帰還変調コイルと、
検出コイルを有する超伝導量子干渉素子であり、基板上
に超伝導薄膜で形成され、検出コイルを一体化した集積
型超伝導量子干渉素子において、 前記検出コイルが、前記ジョセフソン接合を構成する超
伝導薄膜材料の臨界温度より高い臨界温度を持つ超伝導
薄膜材料で形成されることを特徴とする超伝導量子干渉
素子。 - 【請求項2】 前記超伝導リングの一部を、前記検出コ
イルとして機能させることを特徴とする請求項1記載の
超伝導量子干渉素子。 - 【請求項3】 前記検出コイルをジョセフソン接合部と
は異なる基板上に超伝導薄膜で形成した後、両者を張り
合わせ、超伝導接続することにより、検出コイルを一体
化することを特徴とする請求項2記載の超伝導量子干渉
素子磁束計。 - 【請求項4】 ジョセフソン接合を含む超伝導リング
と、超伝導リングに磁気結合された入力コイルと帰還変
調コイルと、入力コイルと超伝導ループを形成する検出
コイルとを有する超伝導量子干渉素子であり、基板上に
超伝導薄膜で形成され、検出コイルを一体化した集積型
超伝導量子干渉素子において、 前記検出コイルが、前記ジョセフソン接合を構成する超
伝導薄膜材料の臨界温度より高い臨界温度を持つ超伝導
薄膜材料で形成されることを特徴とする超伝導量子干渉
素子。 - 【請求項5】 前記検出コイルを前記ジョセフソン接合
部とは異なる基板上に超伝導薄膜で形成した後、両者を
張り合わせ、超伝導接続することにより、検出コイルを
一体化することを特徴とする請求項4記載の超伝導量子
干渉素子。 - 【請求項6】 前記検出コイルと前記入力コイルで構成
される超伝導ループを、上記ジョセフソン接合を構成す
る超伝導薄膜材料の臨界温度より、高い臨界温度を有す
る超伝導薄膜材料で形成されることを特徴とする請求項
4記載の超伝導量子干渉素子。 - 【請求項7】 前記検出コイルと前記入力コイルで構成
される超伝導ループを、前記ジョセフソン接合部とは異
なる基板上に超伝導薄膜で形成した後、検出コイルで検
出した磁束を前記入力コイルを介して上記超伝導リング
に伝達するするように両者を張り合わせることにより、
検出コイルを一体化することを特徴とする請求項6記載
の超伝導量子干渉素子磁束計。 - 【請求項8】 請求項1、請求項2、請求項3、請求項
4、請求項5、請求項6、または請求項7記載の超伝導
量子干渉素子を用いて構成されることを特徴とする非破
壊検査装置。 - 【請求項9】 前記非破壊検査装置は走査型超伝導量子
干渉素子顕微鏡であることを特徴とする請求項8記載の
非破壊検査装置。
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