WO2003063260A1 - Detecteur de champ magnetique hautement sensible - Google Patents

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WO2003063260A1
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field sensor
josephson junction
josephson
sensitivity
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Inventor
Kazuto Hirata
Shuichi Ooi
Takashi Mochiku
Original Assignee
National Institute For Materials Science
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
    • G01R33/0354—SQUIDS
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/10—Junction-based devices
    • H10N60/12—Josephson-effect devices
    • H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials

Definitions

  • the invention of this application relates to a high-sensitivity magnetic field sensor. More specifically, the invention of this application relates to a high-sensitivity magnetic field sensor capable of observing a weak magnetic field change in a high magnetic field region.
  • a Hall element using a semiconductor has been generally used to detect a magnetic field.However, the most sensitive two-dimensional electron gas Hall element only detects a magnetic field strength of about 10 to 3 Gauss. I'm wearing A good magnetic field sensor-yet sensitive than Hall element has a superconducting quantum interference element (SQUID), in the case of this SQUID, can detect the magnetic field strength of 1 0- 7 G auss.
  • SQUID superconducting quantum interference element
  • the SQUID had various problems, such as being usable only in a low magnetic field region, requiring a magnetic shield, and requiring operation at liquid helium temperature.
  • the invention of this application has been made in view of the circumstances described above, and solves the problems of the conventional technology, and provides a high sensitivity magnetic field capable of observing a weak magnetic field change in a high magnetic field region.
  • the task is to provide sensors. Disclosure of the invention
  • the invention has a Josephson junction made of a superconductor, allows a current to flow perpendicular to the Josephson junction, and allows the Josephson junction to The periodicity of the Josephson flux line flow voltage caused by applying a magnetic field almost in parallel
  • a high-sensitivity magnetic field sensor based on fluctuations, which detects the corresponding magnetic field from the measured Josephson flux line flow voltage-magnetic field curve and the voltage value measured with a current flowing. To provide a high-sensitivity magnetic field sensor characterized by this.
  • the invention of this application provides the high-sensitivity magnetic field sensor according to the first invention, wherein the superconductor is an oxide high-temperature superconductor.
  • the third, the second aspect, the oxide high-temperature superconductor, B i 2 S r 2 C a C u 2 O x ( bismuth 2 2 1 2) compound-based oxide high-temperature superconductors A highly sensitive magnetic field sensor is provided.
  • the Josephson flux line flow voltage is determined by the width of the Josephson junction surface orthogonal to the direction of the magnetic field applied to the Josephson junction surface and the direction of the current.
  • the present invention also provides a high-sensitivity magnetic field sensor characterized in that the period of the fluctuation is determined and the period is inversely proportional to the width of the Josephson junction.
  • a high-sensitivity magnetic field sensor characterized in that the current density of a current flowing perpendicularly to the Josephson junction surface is 10 O AZ cm 2 or less. provide.
  • a high-sensitivity magnetic field sensor according to any one of the first to fifth inventions, wherein the inclination of the direction of the applied magnetic field with respect to the Josephson junction surface is within 0.3 degrees. provide.
  • the seventh as in one of the third to 6, B i 2 S r 2 C a C u 2 O x compound-based oxide high-temperature superconductor, the composition adjusted in the range of not impairing the properties, elemental Can be replaced with added or element-substituted ones, controlled oxygen concentration, injected quasiparticles or Cooper pairs, or other high-temperature superconductors with a unique Josephson junction structure in a stacked state
  • a high-sensitivity magnetic field sensor characterized in that it is at least one of the following.
  • the Josephson junction is a superconducting layer— Provided is a high-sensitivity magnetic field sensor having a superconducting multilayer structure having an insulating layer-superconducting layer structure.
  • a high-sensitivity magnetic field sensor according to any one of the first to eighth inventions, wherein the operating temperature is equal to or lower than a superconducting transition temperature.
  • FIG. 1 is a schematic view illustrating a high-sensitivity magnetic field sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating a high-sensitivity magnetic field sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the Josephson flux line flow resistance-magnetic field curve in the present invention.
  • the high-sensitivity magnetic field sensor according to the invention of the present application has a Josephson junction made of a superconductor, generates a current by flowing a current perpendicular to the Josephson junction, and applying a magnetic field substantially parallel to the Josephson junction.
  • This is a magnetic field sensor based on the periodic variation of the Josephson flux line flow voltage.From the measured Josephson flux line flow voltage-magnetic field curve and the value of the voltage measured with the current flowing, It detects the corresponding magnetic field.
  • the high-sensitivity magnetic field sensor of the invention of this application measures the value of the voltage that changes in response to a slight change in the magnetic field, and determines the amount of change in the measured voltage and the previously determined Josephson flux line flow voltage. —To detect the corresponding weak magnetic field change by using the magnetic field curve You can do it.
  • the Josephson flux line flow resistance corresponding to the Josephson flux line flow voltage is generated by the above method, the Josephson flux line flow resistance-magnetic field curve and the amount of change in resistance measured with the current flowing are shown in FIG. However, it is of course possible to detect the corresponding change in the magnetic field.
  • a high-temperature oxide superconductor can be microfabricated to form a Josephson junction, and a current can be applied perpendicular to the Josephson junction and a magnetic field can be applied substantially parallel to the Josephson junction.
  • the Josephson flux lines are driven by the current flowing perpendicularly to the Josephson junction, and a Josephson flux line flow voltage (resistance) is generated.
  • a Josephson flux line flow voltage resistance
  • periodic fluctuations are observed in the Josephson flux line voltage (resistance), and the Josephson flux Line flow voltage (resistance)
  • One magnetic field curve is determined.
  • the corresponding change in the magnetic field can be detected.
  • a highly sensitive magnetic field sensor that can observe changes in the magnetic field can be obtained.
  • the physical quantity of Josephson flux lines one that is quantized 2. corresponds to 0 7 X 1 0- 7 G auss * cm 2, high sensitivity magnetic field sensor one invention of this application, the size of the joint Thus, the number of Josephson flux lines can be measured.
  • the slope of the resistance with respect to the magnetic field is 0. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Obtained, since the sensitivity of the normal sensitivity good resistance meter available is less than 1 X 1 0- 9 o hm, (1 X 1 0 - 9 o hm) / (0. 1 5 1 9 7 o hm / O e) Ku 1 X 1 O _ 8 0 e, and the highly sensitive magnetic field sensor in this case it is possible to detect a magnetic field with a smaller precision than 1 X 1 0- 8 G auss, a weak magnetic field Changes can be observed.
  • the period of the periodic fluctuation that appears in the Josephson flux line flow voltage is proportional to the increase in the magnetic field when one Josephson flux line enters one Josephson junction, so it is applied to the Josephson junction surface.
  • the high-sensitivity magnetic field sensor of the invention of the present application uses When operating from just below a few K and using an oxide superconductor, it operates satisfactorily even at liquid nitrogen temperature (77 K), so it is cheaper than SQUID and easier to use than SQUID be able to.
  • the S QU ID in the case of the S QU ID, it can be used only in a low magnetic field region and requires a magnetic shield, but the high sensitivity magnetic field sensor of the invention of this application can be used in a high magnetic field region, There is no need to do it.
  • highly sensitive magnetic field sensors of the invention of this application B i 2 S r 2 C a C u 2 ⁇ _X compound-based oxide high-temperature superconductor, the composition adjusted within a range not to impair the properties, elements added or element substitution
  • the oxygen concentration is controlled It is also possible to use at least one of the following: an implanted quasiparticle or a pair of capsules, and an implantable one that can be replaced by another high-temperature superconductor having a unique Josephson junction structure in a laminated state.
  • the quasiparticle injection method or the Cooper pair injection method into the sensor is effective.
  • a method of controlling the cycle of the (resistance) fluctuation is also possible.
  • the high-sensitivity magnetic field sensor of the invention of this application may have a Josephson junction having a conventional superconducting multilayer structure having a superconducting layer-insulating layer-superconducting layer structure.
  • the operating temperature in the high-sensitivity magnetic field sensor of the invention of this application the Josephson junction, B i 2 S r 2 C a C u oxide high temperature superconductor such as 2 O x compound-based oxide high-temperature superconductors
  • the temperature is lower than the superconducting transition temperature in both the case of a body single crystal and the case of a conventional superconducting layer-insulating layer-superconducting layer having a superconducting multilayer structure.
  • the principle of operation of the high-sensitivity magnetic field sensor according to the invention of this application is that there is no need to create a laminated film consisting of an artificial superconducting layer, an insulating layer, and a superconducting layer, and a single crystal oxide high-temperature superconductor is used as it is. be able to.
  • a single crystal oxide high-temperature superconductor is used as it is. be able to.
  • microfabrication technology using ion beams and the like that have been conventionally used can be followed, and further, electrodes for control can be formed by conventional methods. Many of the technical issues have been resolved.
  • Bismuth 2 2 1 2 (B i 2 S r 2 C a Cu 2 O x ) -based oxide The properties of the high-sensitivity magnetic field sensor of the invention of this application were evaluated using a conductor single crystal.
  • a bismuth 2 2 12 oxide high-temperature superconductor single crystal (1) was cut into strips as shown in Fig. 1 (A), and then focused ions as shown in Fig. 1 (B).
  • the unique Josephson junction (2) was machined by the beam.
  • Fig. 1 (C) is a cutaway view of the intrinsic Josephson junction (2).
  • the arrows in Fig. 1 (C) indicate the direction of the current in the vertical direction and the direction of the magnetic field in the horizontal direction. Is shown.
  • Figure 2 is a photograph of the intrinsic Josephson junction (2) after microfabrication.
  • the size of the junction (2) is width: 18 (W in the inset)
  • the inset in FIG. 2 shows a schematic view of the intrinsic Josephson junction (2) used in the example, where the Josephson junction is perpendicular to the c-axis.
  • the direction of the magnetic field is actually tilted about 0.02 degrees from the Josephson junction, and the magnitude of the current flowing perpendicular to the Josephson junction is A.
  • FIG. 1 (A) the Josephson flux line flow resistance was measured by a four-terminal measurement method using an AC resistance bridge L R-700.
  • Figure 3 shows the change in the Josephson flux-line flow resistance when the magnetic field was increased at a temperature of 65 K.
  • the horizontal axis in FIG. 3 is the magnitude of the magnetic field
  • the vertical axis is the magnitude of the resistance.
  • Josephson flux line flow resistance began to appear when the magnetic field intensity was around 3 k O e, and periodic fluctuations appeared in the Josephson flux line flow resistance around 7 k O e.
  • the periodic variation of the Josephson flux line flow resistance has a constant period of about 0,4 kOe, and over a wide magnetic field up to around 25 k ⁇ e. Periodic change Movement is appearing.
  • the fluctuation stops around 25 kOe because the magnetic flux lines penetrate perpendicularly to the Josephson junction surface due to the slight inclination of the magnetic field with respect to the Josephson junction surface, and the pancake flux lines are generated. This is because the Josephson flux line flow stops due to the pinning due to.
  • the fluctuation period is about 0.4 kOe because one Josephson flux line is inserted into two Josephson junctions existing in the bismuth 2 212 oxide high-temperature superconductor single crystal. It is equivalent to That is, when one Josephson flux line enters and exits the Josephson junction, the Josephson flux flow resistance changes greatly.
  • the slope of the Josephson flux line flow resistance with respect to the magnetic field was obtained using one cycle, and the slope was 0.15 197 ohmZOe. since good resistance meter sensitivity is less than 1 X 1 0- 9 o hm of the (1 X 1 0- 9 o hm ) / (0.
  • the invention of this application enables observation of a weak magnetic field change in a high magnetic field region, and is widely used as a sensor of a measuring device or the like for observing a change in magnetization of a sample.
  • a high-sensitivity magnetic field sensor that can be expected is provided.
  • product development for general users equipped with the high-sensitivity magnetic field sensor of the invention of this application and development of circuit elements and the like using the high-sensitivity magnetic field sensor of the invention of this application have become active, and peripheral technologies have been developed. Is considered to be promoted.

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Description

明 細 書 高感度磁場センサ一 技術分野
この出願の発明は、 高感度磁場センサ一に関するものである。 さらに 詳しくは、 この出願の発明は、 高磁場領域での微弱な磁場の変化の 観測が可能な高感度磁場センサ一に関するものである。 背景技術
従来より、 磁場を検知するには半導体を用いたホール素子が一般的 に使用されているが、最も感度の良い 2次元電子ガスホール素子で 1 0 - 3 G a u s s程度の磁場強度の検出にとどまつている。 ホール素 子よりもさらに感度の良い磁場センサ一としては超伝導量子干渉素 子 （S Q U I D ) があり、 この S Q U I Dの場合には、 1 0— 7 G a u s s の磁場強度を検出できる。
しかしながら S Q U I Dの場合、低磁場領域でしか使用できないこ と、 磁気シールドが必要なこと、 また液体ヘリウム温度での動作が必 要であることなどの様々な問題を有していた。
そこで、 この出願の発明は、 以上のとおりの事情に鑑みてなされた ものであり、 従来技術の問題点を解消し、 高磁場領域での微弱な磁 場の変化の観測が可能な高感度磁場センサーを提供することを課題 としている。 発明の開示
この出願の発明は、 上記の課題を解決するものとして、 まず第 1に は、 超伝導体によるジョセフソン接合部を有し、 ジョセフソン接合面 に垂直に電流を流し、且つジョセフソン接合面にほぼ平行に磁場を印 加することにより生じるジョセフソン磁束線フロー電圧の周期的な 変動に基づく高感度磁場センサーであって、 予め測定して求めておい たジヨセフソン磁束線フロー電圧—磁場曲線と電流を流した状態で 測定した電圧の値から、 対応する磁場を検知するようにしたことを特 徵とする高感度磁場センサ一を提供する。
第 2には、 この出願の発明は、第 1の発明において、超伝導体が、 酸化物高温超伝導体であることを特徴とする高感度磁場センサーを 提供する。
さらに、 第 3には、 第 2の発明において、 酸化物高温超伝導体が、 B i 2 S r 2 C a C u 2 Ox (ビスマス 2 2 1 2 ) 化合物系酸化物高 温超伝導体であることを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
また、 第 4には、 第 1ないし 3のいずれかの発明において、 ジョセ フソン接合面に印加する磁場の方向及び電流の方向に対して直交す るジヨセフソン接合面の幅により、 ジヨセフソン磁束線フロー電圧の 変動の周期が決定され、その周期がジョセフソン接合面の幅に反比例 することを特徴とする高感度磁場センサーをも提供する。
第 5には、 第 1ないし 4のいずれかの発明において、 ジョセフソン 接合面に垂直に流れる電流の電流密度が、 1 0 O AZ c m2以下で あることを特徵とする高感度磁場センサ一を提供する。
第 6には、 第 1ないし 5のいずれかの発明において、 印加する磁場 の方向のジョセフソン接合面に対しての傾きが、 0. 3度以内である ことを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
第 7には、 第 3ないし 6のいずれかの発明において、 B i 2 S r 2 C a C u 2 Ox化合物系酸化物高温超伝導体が、特性を損なわない範 囲で組成調整、 元素添加或いは元素置換されたもの、 酸素濃度が制 御されたもの、 準粒子或いはクーパー対が注入されたもの及び積層状 態の固有のジョセフソン接合構造を有する他の高温超伝導体に置換 可能とされたものの少なくとも 1種であることを特徴とする高感度 磁場センサーを提供する。
第 8には、 第 1の発明において、 ジョセフソン接合部が超伝導層— 絶縁層一超伝導層構造の超伝導多層構造を有することを特徴とする 高感度磁場センサーを提供する。
第 9には、 第 1ないし 8のいずれかの発明において、 動作温度が超 伝導転移温度以下であることを特徴とする高感度磁場センサーを提 供する。 図面の簡単な説明
図 1は、 この発明の実施例における高感度磁場センサーを例示した 概略図である。
図 2は、 この発明の実施例における高感度磁場センサーを例示した 概略図である。
図 3は、 この発明におけるジョセフソン磁束線フロー抵抗—磁場曲 線を示したグラフである。
なお、 図中の符号は次のものを示す。
1 ビスマス 2 2 1 2系酸化物高温超伝導体単結晶
2 ジョセフソン接合部 発明を実施するための最良の形態
この出願の発明の高感度磁場センサーは、 超伝導体によるジヨセフ ソン接合部を有し、 ジョセフソン接合面に垂直に電流を流し、 且つジ ヨセフソン接合面にほぼ平行に磁場を印加することにより生じるジョ セフソン磁束線フロー電圧の周期的な変動に基づく磁場センサーで あって、 予め測定して求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧一 磁場曲線と電流を流した状態で測定した電圧の値から、 対応する磁 場を検知するものである。
すなわちこの出願の発明の高感度磁場センサーは、 わずかな磁場の 変化に対応して変化する電圧の値を測定し、 その測定した電圧の変 化量と予め求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧—磁場曲線 を用いることによって、 対応する微弱な磁場の変化量を検知すること ができるのである。
また上記の方法によってジョセフソン磁束線フロー電圧に対応し たジヨセフソン磁束線フロー抵抗が生じることから、 ジョセフソン磁 束線フロー抵抗一磁場曲線と電流を流した状態で測定した抵抗の変 化量から、 対応する磁場の変化量を検知することももちろん可能であ る。
このとき超伝導体として、 特に B i 2 S r 2 C a C u 2 Ox化合物 系酸化物高温超伝導体等の酸化物高温超伝導体単結晶を用いるこ とによって、 酸化物高温超伝導体単結晶内に存在する積層状態のジ ヨセフソン接合構造を利用することができる。
たとえば、 酸化物高温超伝導体を微細加工してジョセフソン接合 部を形成することができ、 そのジョセフソン接合面に垂直に電流を流 し、 且つジョセフソン接合面にほぼ平行に磁場を印加し、 ジヨセフソ ン接合面に垂直に流した電流によってジョセフソン磁束線を駆動す ることで、 ジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）が生じる。そして、 量子化されたジョセフソン磁束線 1本 1本のジョセフソン接合内へ の出入りによって、 そのジョセフソン磁束線フ口一電圧 （抵抗） にお いて周期的な変動が観測され、ジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗） 一磁場曲線が求められる。 - その予め求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧 （抵抗） ー磁 場曲線と電流を流した状態で測定した電圧 （抵抗） の変化量から、 対応する磁場の変化量を検知でき、 微弱な磁場の変化が観測可能な 高感度磁場センサーとすることができる。
なお、 量子化されたジョセフソン磁束線 1本の物理量は、 2. 0 7 X 1 0— 7 G a u s s * c m2に相当し、 この出願の発明の高感度磁 場センサ一は、 接合の大きさにより、 そのジョセフソン磁束線の本数 を計測することもできる。
たとえば、 図 3に示しているジョセフソン磁束線フ口一抵抗—磁場 曲線から、 抵抗の磁場に対する傾きが 0. Ι δ Ι θ ί ο ΙιπιΖθ ε で得られ、通常入手できる感度の良い抵抗測定器の感度が 1 X 1 0— 9 o hm以下であることから、 （ 1 X 1 0 - 9 o hm) / ( 0. 1 5 1 9 7 o hm/O e ) く 1 X 1 O _80 eとなり、 この場合の高感度磁 場センサーは 1 X 1 0— 8 G a u s sよりも小さい精度で磁場を検知 することができ、 微弱な磁場の変化を観測することができる。
ジョセフソン磁束線フロー電圧 （抵抗） に現れる周期的な変動の 周期は 1つのジョセフソン接合にジョセフソン磁束線が 1本入った 時の磁場の増加分に比例するため、ジョセフソン接合面に印加する磁 場の方向及び電流の方向に対して直交するジョセフソン接合面の幅 に反比例することが分かっており、 その幅を限定することでその変動 の周期を制御することができ、 その周期を制御することによってこの 出願の高感度磁場センサ一の精度を制御することができる。
なお、ジョセフソン接合面に垂直に流される電流の電流密度が 1 0 O AZ c m2以下であり且つジョセフソン接合面に対して磁場の傾 きが 0. 3度以内である場合に、 ジョセフソン磁束線フロー電圧 （抵 抗） に周期的な変動が良好に観測される。
また、 高感度な磁場センサーとして用いられている S QU I Dが液 体ヘリウム温度 （ 4. 2 K) 以下で動作するのに対し、 この出願の 発明の高感度磁場センサーは、 超伝導転移温度から数 K直下から動 作し、 酸化物超伝導体を用いた場合、 液体窒素温度 （ 7 7 K) でも 十分に動作するため、 S Q U I Dよりも安価であり'且つ S QU I D よりも容易に使用することができる。
また、 S QU I Dの場合には、 低磁場領域でしか使用できず、 磁気 シールドが必要であるが、 この出願の発明の高感度磁場センサーは高 磁場領域でも使用することができ、 また磁気シールドをする必要がな い。
また、 この出願の発明の高感度磁場センサーは、 B i 2 S r 2 C a C u 2〇X化合物系酸化物高温超伝導体が、特性を損なわない範囲で 組成調整、 元素添加或いは元素置換されたもの、 酸素濃度が制御さ れたもの、 準粒子或いはク一パ一対が注入されたもの及び積層状態の 固有のジョセフソン接合構造を有する他の高温超伝導体に置換可能 とされたものの少なくとも 1種とすることも可能であり、 特に超伝導 層間の結合を決定しているキヤリァ濃度を制御する方法としては、 セ ンサー内への準粒子注入法或いはクーパー対注入法が有効であり、 こ れをジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗） の変動の周期の制御方法 とすることも可能である。
さらにこの出願の発明の高感度磁場センサ一は、 そのジョセフソン 接合部が従来の超伝導層一絶縁層一超伝導層構造の超伝導多層構 造を有するものであっても良い。
また、 この出願の発明の高感度磁場センサーにおける動作温度は、 ジョセフソン接合部が、 B i 2 S r 2 C a C u 2 Ox化合物系酸化物 高温超伝導体等の酸化物高温超伝導体単結晶の場合及び従来の超 伝導層一絶縁層一超伝導層構造の超伝導多層構造を有するものの 場合のいずれにおいても超伝導転移温度以下である。
この出願の発明における高感度磁場センサ一の動作原理は、 人工 的な超伝導層一絶縁層一超伝導層から成る積層膜を作成する必要が なく、 酸化物高温超伝導体単結晶をそのまま用いることができる。 ま た酸化物高温超伝導体単結晶の微細加工において、 従来から用いら れているイオンビーム等による微細加工技術を踏襲でき、 さちに制御 用の電極形成等も従来の方法で可能なこと等から、 技術的な問題点 の多くが解決されている。
以下、 添付した図面に沿って実施例を示し、 この出願の発明の実 施の形態についてさらに詳しく説明する。 もちろん、 この発明は以下 の例に限定されるものではなく、 細部については様々な態様が可能で あることは言うまでもない。 実 施 例
ビスマス 2 2 1 2 (B i 2 S r 2 C a C u 2 Ox) 系酸化物高温超 伝導体単結晶を用いて、この出願の発明における高感度磁場センサー の性質を評価した。
まず、 ビスマス 2 2 1 2系酸化物高温超伝導体単結晶 （ 1 ) を図 1 (A) に示すように短冊状に切断加工した後、 図 1 (B) に詳し く示すように収束イオンビームにより固有ジョセフソン接合部 （ 2 ) を加工した。 また図 1 (C) は固有ジョセフソン接合部 （ 2 ) の切断 面図であり、 図 1 (C) 中の矢印は、 上下方向の矢印が電流の方向、 左右方向の矢印が磁場の方向を示している。
図 2は微細加工後の固有ジョセフソン接合部 （ 2 ) の写真であり、 接合部 （ 2 ) の大きさは幅： 1 8 (挿入図中における W) X奥行き ： 1 6 (挿入図中における 1 ) X高さ ： 2 (挿入図中における t ) II m3である。 電流は高さ方向、 つまりジョセフソン接合面 （超伝導層 面） と垂直な方向に流し、 磁場はジョセフソン接合面にほぼ平行に印 加した。
図 2の挿入図は実施例に用いた固有ジョセフソン接合部 （ 2 ) の 概略図を示しており、 ジョセフソン接合面は c軸に垂直である。 磁場 の方向は、実際にはジョセフソン接合面から約 0. 0 2度傾いており、 またジョセフソン接合面に垂直に流した電流の大きさは Aであ る。
図 1 (A) に示しているように、 交流抵抗プリッジ L R— 7 0 0を 用いた四端子測定法によってジヨセフソン磁束線フロー抵抗を測定 した。 温度 6 5 Kにおいて、 磁場を増加させたときのジョセフソン磁 束線フロー抵抗の変化を図 3に示す。 ここで、 図 3の横軸は磁場の大 きさであり、 縦軸は抵抗の大きさである。
磁場の大きさが 3 k O e付近になったところでジョセフソン磁束 線フロー抵抗が現れ始め、 7 k O e付近からジョセフソン磁束線フロ —抵抗に周期的な変動が現れている。図 3の挿入図に示しているよう に、ジョセフソン磁束線フロー抵抗の周期的な変動は一定の周期約 0 , 4 k O eを有し、 2 5 k〇 e付近までの広範囲の磁場で周期的な変 動が現れている。 2 5 k O e付近で変動が止まるのは、 ジョセフソン 接合面に対する磁場の若干の傾きによってジヨセフソン接合面に垂 直に磁束線が侵入することでパンケーキ磁束線が生じ、 パンケーキ磁 束線によるピン止めのためにジョセフソン磁束線フローが停止するた めである。
変動の周期が約 0. 4 k O eであるのはビスマス 2 2 1 2系酸化 物高温超伝導体単結晶内に存在するジョセフソン接合 2個に対して ジョセフソン磁束線 1本が入ったことに相当している。 即ち、 ジョセ フソン磁束線 1本がジョセフソン接合内に出入りすることによってジ ヨセフソン磁束フロー抵抗が大きく変化していることになる。 図 3に示す実施例は、 1周期を利用してジョセフソン磁束線フロー 抵抗の磁場に対する傾きを求めたものであり、 傾きが 0. 1 5 1 9 7 o hmZO eであり、 通常入手できる感度の良い抵抗測定器の感度 で 1 X 1 0— 9 o hm以下であることから、 （ 1 X 1 0— 9 o hm) / ( 0. 1 5 1 9 7 o hm/O e ) < l X 1 0—8 O e、 つまり 1X 1 0 - 8 G a u s sの精度で磁場を検知することができ、 微弱な磁場の 変化を観測できることを示している。
またジョセフソン磁束線 1本は 2. 0 7 X 1 0— 7 G a u s s ' c m2に相当するため、 その本数を計測することもできる。 産業上の利用可能性
以上詳しく説明したとおり、 この出願の発明によって、 高磁場領域 での微弱な磁場の変化の観測が可能であり、 試料の磁化の変化を観 測するための計測機器などのセンサーとして広く使用されることが期 待できる高感度磁場センサ一が提供される。 また、 この出願の発明の 高感度磁場センサーを搭載した一般ユーザ一向けの製品開発や、 この 出願の発明の高感度磁場センサーを利用した回路素子等の開発技術 が活発となり、 その周辺技術の開発が促進されるものと考えられる。

Claims

請求の範囲
1 . 超伝導体によるジョセフソン接合部を有し、 ジョセフソン接合 面に垂直に電流を流し、 且つジョセフソン接合面にほぼ平行に磁場を 印加することにより生じるジョセフソン磁束線フロー電圧の周期的 な変動に基づく高感度磁場センサ一であって、 予め測定して求めてお いたジヨセフソン磁束線フロー電圧一磁場曲線と電流を流した状態 で測定した電圧の値から、 対応する磁場を検知するようにしたことを 特徴とする高感度磁場センサ一。
2 . 超伝導体が、 酸化物高温超伝導体であることを特徴とする請 求項 1 に記載の高感度磁場センサ一。
3 . 酸化物高温超伝導体が、 B i 2 S r 2 C a C u 2 O x化合物系 酸化物高温超伝導体であることを特徴とする請求項 2に記載の高感 度磁場センサー。
4 . ジョセフソン接合面に印加する磁場の方向及び電流の方向に 対して直交するジョセフソン接合面の幅により、 ジョセフソン磁束線 フロー電圧の変動の周期が決定され、 その周期がジョセフソン接合面 の幅に反比例することを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれかに 記載の高感度磁場センサ一。
5 . ジョセフソン接合面に垂直に流れる電流の電流密度が、 1 0 0 A / c m 2以下であることを特徴とする請求項 1ないし 4のいずれか に記載の高感度磁場センサ一。
6 . 印加する磁場の方向のジョセフソン接合面に対しての傾きが、 0 . 3度以内であることを特徴とする請求項 1ないし 5のいずれかに 記載の高感度磁場センサ一。
7 . B i 2 S r 2 C a C u 2 O x化合物系酸化物高温超伝導体が、 特性を損なわない範囲で組成調整、 元素添加或いは元素置換された もの、 酸素濃度が制御されたもの、 準粒子或いはクーパー対が注入さ れたもの及び積層状態の固有のジヨセフソン接合構造を有する他の 高温超伝導体に置換可能とされたものの少なくとも 1種であること を特徴とする請求項 3ないし 6のいずれかに記載の高感度磁場セン
8 . ジョセフソン接合部が超伝導層一絶縁層一超伝導層構造の超 伝導多層構造を有することを特徴とする請求項 1に記載の高感度磁 場センサ一。
9 . 動作温度が超伝導転移温度以下であることを特徴とする請求 項 1ないし 8のいずれかに記載の高感度磁場センサー。
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