2014 Fiscal Year Research-status Report
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25871198
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
中村 秀司 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測標準研究部門, 研究員 (70613991)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 量子電流標準 / 超伝導 / 単電子トランジスタ / 準粒子 / メゾスコピック系 / 精密測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は量子電流標準の実現にむけて超伝導ナノ構造を用いた新規デバイスの開発を目的として行っている。量子電流標準の実現は、微小電流に関する標準という社会基盤的な意義に加え、化学センサー、ガス、放射線検出器、半導体絶縁性能試験等に用いられる微小電流の生成・検出という観点においても重要な研究である。量子電流標準実現には不確かさを保持しつつ、一定量以上の電流を発生させることが求められる。本年度は、量子電流標準実現のために単電子ポンプによる発生電流の増加を目指して研究を行った。具体的には「① SINISターンスタイルのトンネル抵抗最適化による単電子ポンプの高周波駆動」 「② ワンチップ上での素子並列化」に取り組んだ。①に関しては量子電流標準の有力な候補の一つとなっているSINISターンスタイルに関して、AlとCuの間に形成される酸化アルミニウムの厚さを調整することで単電子ポンプに最適なトンネル抵抗を調べた。その結果、トンネル接合を低抵抗化することで１GHZ程度まで単電子ポンプを駆動できることを示した。また素子の低抵抗化によって発生する不必要な余剰電流をサンプル面直磁場印加によって抑制できることを示した。②に関しては、ワンチップ上でSINISターンスタイルを並列化することで電流量を170pA程度まで大きくできることを示した。これらの成果によって超伝導ナノ構造を用いた量子電流標準実現だけでなく、学術的にも大きく貢献したと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の最終目的は、量子電流標準実現に向けた新規超伝導ナノデバイスの開発とその基礎的な知見を得ることである。量子電流標準の実現には7桁の精度を持った100pA以上の電流を発生させる必要があると考えられている。本年度の研究によって達成したSINISターンスタイルの高周波駆動、並列化によって、この量子電流標準の電流量の問題点は解決できることが示された。また、磁場印加に伴いエラーが低減する新規メカニズムを発見したことにより今後さらなる不確かさの低減が図れる可能性がある。また平行して「SIFIS」と「位相すべりを発現する超伝導細線」を用いた定電流発生の研究も進めており、順調に進行中である。具体的にはスパッタリング、ミリング、超高真空蒸着、電子線描画法等微細加工技術を用いることで、接合面積が小さく高品質なトンネル接合を作製することに取り組んでいる。またリフトオフ法と蒸着スパッタ、原子層堆積法を組み合わせることによって超伝導の細線化技術にも取り組んでおり、20nm程度の超伝導細線と7nm程度のギャップをもった電極構造の作製にも成功している。これらの技術を今後さらに発展させることで今後量子電流標準の研究がさらに進展してくと考えられる。以上から本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の方針としてデバイスの改良によって不確かさの低減を測っていく。具体的には、SINISに関してトンネル接合の接合容量を低減することでチャージングエナジーを大きくしそれによってアンドレエフ反射を起源とする単電子ポンプエラーの抑制を図る。またNbN等の超伝導ギャップの大きな超伝導材料をもちることで、準粒子リークを起源とする転送エラーの抑制を測る。またSIFIS、超伝導細線を用いて単電子ポンプを行いその量子電流標準への応用を検討する。また並行して測定系の改良を行い単電子ポンプの実時間測定、エラー訂正等を行う予定である。具体的には希釈冷凍機中に高周波部品を組み込み、単電子トランジスタを単電子ポンプ素子と組み合わせる。これによって単一電子レベルので10ns程度の分解能を持った電荷計を実現する。
これらのデバイス改良と実時間測定系の開発を並行して進めることで量子電流標準の実現に向けた研究を加速する。
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| Causes of Carryover |
本年度は、論文作成、学会発表等により当初予定していたよりも素子作製を行わなかった。そのため素子作製に必要な微細加工用の消耗品を買う必要性がなくなり一定額の次年度使用額が生じてしまった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最終年度の予算と合わせることで、高周波部品、学会参加費、論文投稿費などに使用する予定である。
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Research Products
(6 results)
