2011 Fiscal Year Research-status Report
酸化物高温超伝導体ＢＳＣＣＯ単結晶を用いたｄドットの作製と論理回路の構築
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23540422
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
川又 修一 大阪府立大学, 地域連携研究機構, 准教授 (50211868)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2014-03-31
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| Keywords | 超伝導ナノ構造 / 超伝導接合 / 超伝導論理デバイス / 超伝導磁束量子 / 銅酸化物超伝導体 |
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| Research Abstract |
本研究では、超伝導複合素子ｄドット、すなわち従来型金属ｓ波超伝導体に囲まれたｄ波超伝導体である酸化物高温超伝導体を作製し、超伝導波動関数の位相干渉により、ｄドットのコーナーに自発的に発生する半磁束量子を検証する。さらに複数個のｄドットを配列することにより、論理回路を構築する。 まず単一ｄドットの作製条件を確立する必要がある。ｄ波超伝導体としてFZ法により作製したビスマス系酸化物高温超伝導体 BSCCO 単結晶を用い、従来型超伝導体として鉛 Pb を用いて、以下手順により作成を行った。Si基板にポリイミドを用いて接着した単結晶を剥離劈開により厚さ2 μm以下にし、レジストを用いてフォトリソグラフィした後、イオンミリング装置を用いて40 μm角、基板表面からの高さ2.0 μm以下に加工した。再度レジストを用いてフォトリソグラフィした後、Pbを蒸着しリフトオフした。 作製したｄドットについて、SQUID磁束計に接続する直径10 μmのピックアップ・コイルを1 μm以下の精度で走査することができる走査型SQUID顕微鏡を用いて、磁束分布の直接観測を行った。ｓ波ｄ波両方の超伝導体が超伝導状態となる試料温度4.0 K、およびｄ波超伝導体のみが超伝導状態でありｓ波超伝導体が常伝導状態となる温度12 Kで測定を行った。その結果、温度4.0 Kにおいて自発的磁束が観測され、温度12 Kでは観測されなかった。したがって、観測された磁束はｄ波とｓ波の超伝導波動関数干渉効果によるもであると言える。しかしながら、自発的磁束は、本来ｄドットの４つのコーナーに発生するはずであるが、今回は２つのコーナーにのみ観測された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成２３年度において、最適なｄドット作製方法を確立する予定であったが、まだ完全には確立できていない。すなわち、作製したｄドットにおいて、ｄ波とｓ波の超伝導体間の超伝導波動関数干渉効果により自発的に発生する磁束を観測することはできたが、本来ｄドットの４つのコーナーに発生するはずの磁束が今回は２つのコーナーにのみ観測された。 この原因はｄ波とｓ波の超伝導体間の接合におけるジョセフソン臨界電流が小さいことによる。すなわち、ｄ波とｓ波の超伝導体界面の加工精度が不十分であることによると考えられる。またｄ波超伝導体をイオンミリング加工する際に、加工面にダメージが与えられ、ｄ波とｓ波の超伝導接合付近で超伝導が壊れている可能性も考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、最適なｄドット作製方法を確立する。最も重要であるのはｄ波とｓ波超伝導体界面の加工精度であると考えられる。本学先端科学研究センター棟クリーンルーム・クラス１０に新たに設置された、より高精度のマスク・アライナーを用いることにより、フォトリソグラフィーの精度を向上させる。またイオンミリング加工の際に、ｄ波超伝導体結晶にダメージを与えないように、より弱いビームを用いて長時間加工を行うようにする。さらに、ｄ波超伝導体結晶と基板との接着精度の向上のため、これまで用いているシリコン基板に加えて、サファイア基板も利用する。 作製方法を確立したｄドットについて、走査型SQUID顕微鏡を用いて、磁束分布の直接観測を行い、半磁束量子が４つのコーナーに自発的に発生することを確認する。 単一のｄドットについて磁束状態のスイッチングができるように、ｄドットの一つのコーナー周辺についてｓ波超伝導体の領域を狭めたものを、リフトオフ用フォトリソグラフィのマスクを設計することにより作製する。マスクは本学先端科学研究センター棟クリーンルーム・クラス１０に設置されている、電子ビーム露光装置を用いて作製する。ｄドットでは、左上と右下コーナーでプラス＋の磁束、右上と左下コーナーでマイナス－の磁束となる磁束状態（磁束状態０）と左上と右下コーナーで－の磁束、右上と左下コーナーで＋の磁束となる磁束状態（磁束状態１）はエネルギーが等しく等確率で出現する。一つのコーナー周辺に電流を流すことによりこのコーナーにおける磁束の向きを反転すると、他の３つのコーナーの磁束も反転し、磁束状態０と磁束状態１のスイッチング制御が行えるようになる。走査型SQUID顕微鏡を用いた磁束分布観測により、電流によるｄドット磁束状態間のスイッチングを観測し、動作を確認する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
ｄドット作製に際しｄ波超伝導体として用いるＢＳＣＣＯ単結晶の固定用にサファイア基板を購入する。 ｄドット周辺の磁束分布測定に用いる走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を運転する際に、液体ヘリウムが必要となる。このためヘリウムガスを購入し本学設置のヘリウム液化機を用いて液体ヘリウムを用意する。 ｄドット磁束状態のスイッチング機構動作用に微小定電流発生器を購入する。 日本物理学会2012年秋季大会（横浜国立大学）および日本物理学会2012年第68回年次大会（広島大学）にて成果報告を行うため出張および参加登録が必要となる。
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