高転移温度金属超伝導体を用いた単一超伝導電子対デバイスの作製

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750297
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 水柿 義直 電気通信大学, 電気通信学部, 助教授 (30280887)
• キーワード: クーロンブロッケイド / トンネリング接合 / ジョセフソン効果 / モンテカルロ法 / 電流ミラー / 単一磁束量子ポンプ / ニオブ接合 / 双対性

研究概要

本年度においては、まず単一電子デバイスと超伝導単一磁束量子デバイスの双対性に着目し、電子を1個ずつ輸送する単一電子デバイスとして知られている単電子ポンプと双対の関係にある単一磁束量子ポンプの設計を行った。回路をニオブ接合集積回路プロセスにより作製し、測定の結果、12GHzまでの高周波信号印加時に単一磁束量子ポンプ動作の特徴であるゼロ・クロス・ステップ(零バイアス電流軸を横切るシャピロ・ステップ)が確認された。測定結果は数値計算により検証され、高周波信号の位相差なども見積もられた。この単一磁束量子ポンプでは、ヒステリシスのないジョセフソン接合を正弦波高周波信号で駆動した場合においてもゼロ・クロス・ステップが得られることから、米国の国家標準局や日本の産業技術総合研究所にて精力的に研究されているプログラマブル・ジョセフソン電圧標準に対して、新しい基本構成素子として応用が可能である。
また、クーロンブロッケイドを利用した単電子トンネリング接合のアレイを用いた電流ミラーについての数値計算を行った。数値計算においてはモンテカルロ法を用いた。これまでの単電子エレクトロニクスにおける電流ミラーにおいては、多数の微小トンネル接合を直列に接続した1次元アレイを2本用意し、それらを多数の容量で結合させる方式が取られてきたが、本研究により、多数の接合からなる1次元アレイと4つ接合からなる単電子ターンスタイルを1個の容量を介して結合することでも電流ミラー効果が得られることが判明した。さらに、数々の動作条件について検討したところ、適切な動作点にバイアスすることで、従来の方式と同程度の電流ミラー効果が実現できることが判明した。

研究成果

• [文献書誌] Y.Mizugaki, J.Chen, S.Nishikata, K.Sugi, K.Nakajima, T.Yamashita: "Single-flux-quantum pump based on a three-junction superconducting qauantum interference device"Applied Physics Letters. vol.80・no.24. 4585-4587 (2002)
• [文献書誌] Y.Mizugaki, J.Chen, K.Nakajima, T.Yamashita: "Quantum transitions and zero-crossing current-steps in a SQUID controlled by multi-phase RF fields"Physica C. vol.372-376. 274277 (2002)
• [文献書誌] Y.Mizugaki, P.Delsing: "Single-Electron Turnstile Locked to Charge Solitons in a One-Dimensional Array of Small Junctions"Japanese Journal of Applied Physics. vol.41・no.9. 56305634 (2002)
• [文献書誌] Y.Mizugaki, K.Sugi: "Analysis of the Operation Modes of an RE-Field-Driven DC-SQUID"IEICE Transactions on Electronics. vol.E86-C・no.1. 55-58 (2003)