超伝導トンネル接合

超伝導トンネル接合（STJ）は、超伝導体-絶縁体-超伝導体トンネル接合（SIS）とも呼ばれ、非常に薄い絶縁体層で分離された2つの超伝導体からなる電子デバイスです。電流は量子トンネル効果によって接合を通過します。STJはジョセフソン接合の一種ですが、STJのすべての特性がジョセフソン効果で説明できるわけではありません。

これらのデバイスは、電磁放射線の高感度検出器、磁力計、高速デジタル回路素子、量子コンピューティング回路 など、幅広い用途に使用されています。

量子トンネル効果

薄膜超伝導トンネル接合の図。
薄膜超伝導トンネル接合（STJ）の図。超伝導材料は水色、絶縁トンネル障壁は黒、基板は緑で示されています。
超伝導トンネル接合のエネルギー図。
超伝導トンネル接合のエネルギー図。縦軸はエネルギー、横軸は状態密度を表す。破線で示されるフェルミエネルギーにクーパー対が存在する。接合にバイアス電圧Vを印加すると、2つの超伝導体のフェルミエネルギーは互いに1eVだけシフトする。ここでeは電子電荷である。準粒子状態は、フェルミエネルギーからΔより大きいエネルギーに存在し、Δは超伝導エネルギーギャップである。緑と青は、それぞれ零温度における空の準粒子状態と満たされた準粒子状態を示す。
超伝導トンネル接合の電流-電圧曲線のスケッチ。
超伝導トンネル接合の電流-電圧（I-V）曲線のスケッチ。クーパー対トンネル電流はV = 0で観測され、準粒子トンネル電流はV > 2Δ/eおよびV < -2Δ/eで観測される。

STJ を流れるすべての電流は、量子トンネル効果のプロセスによって絶縁層を通過します。トンネル電流には 2 つの要素があります。1 つ目は、クーパー対のトンネル効果によるものです。この超電流は、 1962 年にブライアン・デイヴィッド・ジョセフソンが初めて予測したAC および DCジョセフソン関係式によって説明されます。 [ 1 ]この予測により、ジョセフソンは1973 年にノーベル物理学賞を受賞しました。2 つ目は準粒子電流で、ゼロ温度の限界において、バイアス電圧からのエネルギーが超伝導エネルギー ギャップ Δ の 2 倍の値を超えたときに発生します。有限温度では、ギャップより上の準粒子の熱促進により、電圧がエネルギー ギャップの 2 倍未満の場合でも、サブギャップ電流と呼ばれる小さな準粒子トンネル電流が存在します。 eV{\displaystyle eV}

STJに周波数の光子が照射されると、直流電流-電圧曲線はシャピロステップと光子アシストトンネル効果によるステップの両方を示す。シャピロステップは超伝導電流の応答から生じ、 に等しい電圧で発生する。ここで、はプランク定数、は電子電荷、は整数である。[ 2 ]光子アシストトンネル効果は準粒子の応答から生じ、ギャップ電圧に対して電圧が だけずれたステップを生成する。[ 3 ]f{\displaystyle f}nhf/（2e）{\displaystyle nhf/(2e)}h{\displaystyle h}e{\displaystyle e}n{\displaystyle n}nhf/e{\displaystyle nhf/e}

デバイスの製造

このデバイスは通常、まずアルミニウムなどの超伝導金属の薄膜をシリコンなどの絶縁基板上に堆積させることによって製造されます。この堆積は真空チャンバー内で行われます。次に、酸素ガスをチャンバー内に導入することで、通常数ナノメートルの厚さの酸化アルミニウム（Al O ）の絶縁層が形成されます。真空状態に戻した後、超伝導金属の重なり合う層を堆積することで、STJが完成します。明確に定義された重なり領域を形成するために、ニーマイヤー・ドラン法と呼ばれる手法が一般的に用いられます。この手法では、レジストの吊り橋と二重角堆積を用いて接合部を定義します。 2{\displaystyle _{2}}3{\displaystyle _{3}}

アルミニウムは、絶縁層を短絡させる欠陥のない非常に薄い（2～3 nm）絶縁酸化物層を形成できるという独自の能力があるため、超伝導トンネル接合の製造に広く使用されています。アルミニウムの超伝導臨界温度は約 1.2  Kです。多くの用途では、より高温、特に大気圧で 4.2 K である液体ヘリウムの沸点を超える温度で超伝導するデバイスがあると便利です。これを実現する 1 つの方法は、バルクの状態で 9.3 K の超伝導臨界温度を持つニオブを使用することです。ただし、ニオブはトンネル接合の製造に適した酸化物を形成しません。絶縁酸化物を形成するには、ニオブの最初の層を非常に薄いアルミニウムの層（約 5 nm）でコーティングし、これを酸化して高品質の酸化アルミニウムのトンネル障壁を形成してから、最後のニオブ層を堆積します。薄いアルミニウム層は厚いニオブによって近接され、結果として得られるデバイスの超伝導臨界温度は 4.2 K を超えます。[ 4 ]初期の研究では、鉛- 酸化鉛 - 鉛トンネル接合が使用されました。[ 5 ]鉛はバルクの状態で 7.2 K の超伝導臨界温度を持ちますが、酸化鉛は、デバイスが極低温と室温の間で熱サイクルを経るとトンネル障壁を短絡させる欠陥 (ピンホール欠陥と呼ばれることもあります) を発生する傾向があるため、STJ の作成に鉛はもはや広く使用されていません。

アプリケーション

電波天文学

STJ は100 GHz ～ 1000 GHz の周波数範囲で最も感度の高いヘテロダイン受信機であるため、これらの周波数での電波天文学に使用されています。 [ 6 ]このアプリケーションでは、STJ はギャップ電圧 () よりわずかに低い電圧でDC バイアスされます。対象の天体からの高周波信号は、局部発振器源とともに STJ に集束されます。STJ によって吸収された光子は、光子支援トンネリングのプロセスによって準粒子をトンネルさせることができます。この光子支援トンネリングは電流 - 電圧曲線を変化させ、天文信号と局部発振器の差周波数で出力を生成する非線形性を生み出します。この出力は、天文信号の周波数ダウンコンバートされたバージョンです。[ 7 ]これらの受信機は非常に感度が高いため、デバイスの性能を正確に記述するには、量子ノイズの影響を考慮する必要があります。[ 8 ]|V|＝2Δ/e{\displaystyle |V|=2\Delta /e}

単一光子検出

ヘテロダイン検出に加えて、STJは直接検出器としても使用できます。この用途では、STJはギャップ電圧よりも低い直流電圧でバイアスされます。超伝導体に吸収された光子はクーパー対を破壊し、準粒子を生成します。準粒子は印加電圧の方向に接合部をトンネルし、その結果生じるトンネル電流は光子エネルギーに比例します。STJデバイスは、X線から赤外線に至るまでの光子周波数の単一光子検出器として利用されています。[ 9 ]

イカ

超伝導量子干渉素子（SQUID）は、ジョセフソン接合を含む超伝導ループを基盤としています。SQUIDは世界で最も感度の高い磁力計であり、単一の磁束量子を測定できます。

量子コンピューティング

超伝導量子コンピューティングでは、電荷量子ビット、磁束量子ビット、位相量子ビットなどの STJ ベースの回路が使用されます。

RSFQ

STJは高速単一磁束量子（RSFQ）高速論理回路の主要な能動素子である。[ 10 ]

ジョセフソン電圧標準

ジョセフソン接合に高周波電流を印加すると、交流ジョセフソン電流は印加周波数と同期し、デバイスのI-V曲線に定電圧領域（シャピロステップ）が生じる。電圧標準の目的上、これらのステップは電圧で発生する。ここで、は整数、は印加周波数、ジョセフソン定数はnf/KJ{\displaystyle nf/K_{\text{J}}}n{\displaystyle n}f{\displaystyle f}KJ{\displaystyle K_{\text{J}}}483 597 .8484... × 10 9  Hz⋅V −1 ‍ [11 ]は定数であり、に等しい。これらの手順により、周波数から電圧への正確な変換が可能になる。周波数は非常に高精度で測定できるため、この効果はジョセフソン電圧標準の基礎として利用されており、SI定義の電圧を実装している。[ 12 ] [ 13 ]2e/h{\displaystyle 2e/h}

ジョセフソンダイオード

STJが非対称ジョセフソントンネル効果を示す場合、接合はジョセフソンダイオードになる可能性がある。[ 14 ]

参照

参考文献

  1. ^ Josephson, BD (1962). 「超伝導トンネル効果における新たな可能性」. Physics Letters . 1 (7). Elsevier BV: 251– 253. Bibcode : 1962PhL.....1..251J . doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 . ISSN  0031-9163 .
  2. ^シャピロ, シドニー (1963-07-15). 「超伝導トンネル効果におけるジョセフソン電流：マイクロ波の影響とその他の観察」.フィジカル・レビュー・レターズ. 11 (2). アメリカ物理学会 (APS): 80–82 .書誌コード: 1963PhRvL..11...80S . doi : 10.1103/physrevlett.11.80 . ISSN 0031-9007 . 
  3. ^ M. Tinkham,超伝導入門、第2版、Dover Publications、1996
  4. ^ Joseph, AA; Sese, J.; Flokstra, J.; Kerkhoff, HG (2005). 「HYPRESニオブプロセスの構造試験」(PDF) . IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 15 (2). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 106– 109. Bibcode : 2005ITAS...15..106J . doi : 10.1109/tasc.2005.849705 . ISSN 1051-8223 . S2CID 22001764 .  
  5. ^ Dolan, GJ; Phillips, TG; Woody, DP (1979). 「超伝導酸化物障壁トンネル接合における低ノイズ115GHz混合」 .応用物理学レターズ. 34 (5). AIP Publishing: 347– 349. Bibcode : 1979ApPhL..34..347D . doi : 10.1063/1.90783 . ISSN 0003-6951 . 
  6. ^ Zmuidzinas, J.; Richards, PL (2004). 「ミリ波・サブミリ波天体物理学のための超伝導検出器とミキサー」. Proceedings of the IEEE . 92 (10). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 1597– 1616. Bibcode : 2004IEEEP..92.1597Z . doi : 10.1109/jproc.2004.833670 . ISSN 0018-9219 . S2CID 18546230 .  
  7. ^ Wengler, MJ (1992). 「超伝導トンネルダイオードによるサブミリ波検出」. Proceedings of the IEEE . 80 (11). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 1810– 1826. Bibcode : 1992IEEEP..80.1810W . doi : 10.1109/5.175257 . hdl : 2060/19930018580 . ISSN 0018-9219 . S2CID 110082517 .  
  8. ^ Tucker, J. (1979). 「トンネル接合ミキサーにおける量子限界検出」. IEEE Journal of Quantum Electronics . 15 (11). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 1234– 1258. Bibcode : 1979IJQE...15.1234T . doi : 10.1109/jqe.1979.1069931 . ISSN 0018-9197 . 
  9. ^欧州宇宙機関のSTJ検出器、2011年8月17日アクセス
  10. ^ Likharev, KK; Semenov, VK (1991). 「RSFQロジック/メモリファミリ：サブテラヘルツクロック周波数デジタルシステム向けの新しいジョセフソン接合技術」. IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 1 (1). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 3– 28. Bibcode : 1991ITAS....1....3L . doi : 10.1109/77.80745 . ISSN 1051-8223 . S2CID 21221319 .  
  11. ^ 「2022 CODATA値：ジョセフソン定数」。定数、単位、不確かさに関するNISTリファレンス。NIST。2024年5月。2024年5月18日閲覧。
  12. ^ Hamilton, CA; Kautz, RL; Steiner, RL; Lloyd, FL (1985). 「1 Vにおける実用的なジョセフソン電圧標準」 . IEEE Electron Device Letters . 6 (12). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 623– 625. Bibcode : 1985IEDL....6..623H . doi : 10.1109/edl.1985.26253 . ISSN 0741-3106 . S2CID 19200552 .  
  13. ^ NISTにおける量子電圧計測、2011年11月5日アクセス
  14. ^ウー、ヘン;王姚佳。徐元峰。シヴァクマール、プラナヴァ K.パスコ、クリス。フィリッポッツィ、ウルデリコ。パーキン、スチュアート SP;ゼン、ユウジア。マックィーン、タイレル。アリ、マザール N. (2022-04-27)。「ファンデルワールスヘテロ構造の無磁場ジョセフソンダイオード」。自然。604 (7907 ) : 653–656.arXiv : 2103.15809 。Bibcode : 2022Natur.604..653W。土井: 10.1038/s41586-022-04504-8。ISSN 0028-0836。PMID 35478238。S2CID 248414862。   
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