微小ジョセフソン超格子におけるメゾスコピック現象発現制御とデバイス化への基礎研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450119
• 研究機関: 宇都宮大学
• 研究代表者: 大矢 銀一郎 宇都宮大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00006280)
• 研究分担者: 濱崎 勝義 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (40143820) ; 北村 通英 宇都宮大学, 工学部, 助教授 (90161497) ; 入江 晃亘 宇都宮大学, 工学部, 助教授 (90241843)
• キーワード: 高温超伝導体 / Bi_2Sr_2CaCu_2O_y / 単結晶 / 固有ジョセフソン接合 / ジョセフソン・トンネル接合 / d波超伝導体 / エネルギーギャップ / 臨界電流密度

研究概要

本研究は、層状酸化物高温超伝導体(Bi_<1-x>Pb_x)_2Sr_2CaCu_2O_y(0≦x≦0.2)単結晶(転移温度T_c:80〜90K)に内在するイントリンシック・ジョセフソン結合超格子[超伝導を担うCuO_2層(0.3nm厚)がその他の(半導体ないし絶縁体)層(1.2nm厚)と原子層スケールで交互に自然積層し、その非金属層を介してジョセフソン・トンネル結合することにより形成されるジョセフソン接合自然超格子]をサブミクロンまで微小化することにより、同超格子におけるジョセフソン・トンネル特性の本質を明らかにし、これを基礎にメゾスコピック現象の発現制御と特性解明を行い、そのデバイス応用への知見をも得ることが目的である。
今年度は、上記単結晶を微細加工し、数〜サブミクロンのサイズの微小イントリンシック・ジョセフソン接合より成る超格子メサを作製し、その電流輸送特性の測定から、同接合の以下の基礎特性を明らかにした。
1.上記単結晶を構成する個々の接合はサイズによらすジョセフソン・トンネル接合として動作し、メサの電流-電圧特性上には構成接合数に相当するエネルギーギャップ構造が現れる。
2.1接合当りの超伝導層の持つエネルギーギャップ2Δは、Pb組成xに依存せず、4.2Kで約55meVであり、その温度依存性はBCS理論的な振舞いを示す。また、2Δ_0/k_BT_C=7〜8である。
3.Bi_2Sr_2CaCu_2O_yにおける接合の臨界電流密度J_cは、接合サイズが1μm以上の場合4.2Kで約1kA/cm^2であり、その温度依存性はAB理論にほぼ従うが、オーダーパラメータのd波対称性を反映して僅かにずれる。接合サイズが1μm以下に減少すると、J_cは4.2Kでさえクーロン・ブロッケイド効果の寄与により急激に減少する。一方、(Bi_<1-x>Pb_x)_2Sr_2CaCu_2O_yでは構造変化が生じ、J_cは4.2Kで約10倍も増大する。

研究成果

• [文献書誌] Gin-ichiro Oya: "New features of subgap structures in intrinsic Josephson junctions of (Bi_<1-x>Pb_x)_2Sr_2CaCu_2O_y"Physica C. 362. 138-144 (2001)
• [文献書誌] Akinobu Irie: "Transport properties of small-sized intrinsic Josephson junctions in Bi_2Sr_2CaCu_2O_y"Physica C. 362. 145-149 (2001)
• [文献書誌] Gin-ichiro Oya: "The origin and features of the subgap structure in intrinsic Josephson junctions in Bi-Pb-Ca-Cu-O superconductors"8^<th> International Superconductive Electronics Conference. 429-430 (2001)
• [文献書誌] Atsushi Saito: "1/f noise of Bi_2Sr_2CaCu_2O_y intrinsic Josephson junctions"Journal of Applied Physics. 90. 2911-2914 (2001)
• [文献書誌] Akinobu Irie: "Intrinsic Josephson tunneling properties in small-sized Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O mesas"Superconductor Science and Technology. 14. 1097-1101 (2001)
• [文献書誌] Yu M Shukrinov: "Coupling of intrinsic Josephson junctions and subgap structure in the current-voltage characteristics of high-T_c superconductors"Superconductor Science and Technology. 15. 178-182 (2002)
• [文献書誌] Akinobu Irie: "Pair and quasiparticle tunneling characteristics of small-sized intrinsic Josephson junctions in Bi_2Sr_2CaCu_2O_y"Physica C. 367. 393-399 (2002)
• [文献書誌] Nazia Jabeen Ali: "Size dependent properties of the intrinsic Josephson junction in Bi-Sr-Ca-Cu-O single crystals in external magnetic fields"IEICE Transactions on Electronics. E85-C. 809-813 (2002)
• [文献書誌] Gin-ichiro Oya: "The influence of microwave irradiation on the pronounced subgap structures in intrinsic Josephson junctions of (Bi_<1-x>Pb_x)_2Sr_2CaCu_2O_y"Physica C. (発表予定). (2002)
• [文献書誌] Akinobu Irie: "Gap structures in Bi_2Sr_2CaCu_2O_y intrinsic Josephson junctions"Singapore Journal of Physics. (発表予定). (2002)