Realization of superconducting phase elements with arbitrary values using magnetic Josephson junctions and their applications to superconducting circuits

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K04291
• Research Institution: Daido University
• Principal Investigator: 赤池 宏之 大同大学, 工学部, 教授 (20273287)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 電子デバイス・機器 / 超伝導材料・素子 / スピントロニクス

Outline of Annual Research Achievements

超伝導電子回路は、超伝導電子対の状態を表す超伝導巨視的波動関数の位相について、その量子化条件を満たすようにして設計される。そのため、この位相を制御することが回路動作及び性能を決める重要な要因となる。本研究では、研究代表者らがこれまで検討してきたこの位相を制御する超伝導位相シフト技術を発展させ、磁性ジョセフソンπ接合を用いた任意の初期位相差を持つ任意位相素子を実現、さらに、本素子の導入による単一磁束量子回路の性能向上を目指している。令和1年度までに、任意位相素子として、π接合とジョセフソン０接合、あるいはπ接合のみ含む超伝導ループの位相に着目し、回路パラメータの影響について調査した。その結果、本素子の位相特性を明らかにした。また、実験的検討として、磁性ジョセフソン接合作製に向けた障壁層の検討を行った。令和2年度では、π接合を1接合含む超伝導量子干渉素子(SQUID)を実際に回路内に組み込み、シミュレーションにより回路動作を評価した。対象とした回路は、量子化磁束パラメトロン回路である。前年度の検討では、任意位相素子に代わり回路シミュレータにあらかじめ組み込まれた位相発生素子を用いて位相制御の有効性を明らかにしたが、本年度はπ接合による任意位相素子を用いた。その結果、当初、正常動作が確認されなかったものの、その原因が位相の極性にあることを見出した。つまり、任意位相素子の位相差は、π接合の位相を含むループの量子化条件に基づき自然発生するループ電流に起因するものだが、このループ電流の方向が2方向あるために、位相差に正負の極性が生じる。そのため、任意位相素子を用いる場合、位相極性制御が不可欠であるという重要な知見を得た。これは、今後、π接合を用いた超伝導回路の設計において考慮すべき必須事項となると思われる。