| 研究課題/領域番号 |
19K05256
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
大井 修一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (10354292)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | vortex / Bi2212 / Josephson junction / SQUID |
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| 研究実績の概要 |
銅酸化物高温超伝導体Bi2212単結晶を幅数ミクロン以下まで微小化すると、層状の結晶構造の中に自然に形成された固有ジョセフソン接合をプローブとして、面間電気抵抗測定により磁場が一本一本量子化されて侵入する様子を検知できる。さらには、単一孔導入により、磁束量子の逐次侵入を綺麗な磁気量子振動として観察できる。その振動の様相は従来の超伝導量子干渉計（SQUID）と似ているが、メカニズムが異なる。磁気センサーとしての可能性を秘めており、敢えて人為的にジョセフソン接合を作らずとも、天然の良質接合が利用できるメリットがある。本研究では、両面微細加工により３次元的に試料形状を工夫することや高周波測定、ノイズ測定により、この磁気抵抗振動と、誘起されたジョセフソン磁束やパンケーキ磁束の静的状態や熱揺らぎやフロー状態といったダイナミクスとの関係を理解し、新規な超伝導磁束量子デバイスへとつなげることを目的とした。
基礎的な知見を深めるため、様々な2次元形状（特に正多角形）をもつ固有ジョセフソン接合スタックへの磁束量子の侵入について実験・計算機シミュレーションの両面から調べた。また、系の熱的な安定性と密接に関係する磁束格子融解転移についても磁束量子本数依存性や形状依存性を調べ、面内形状に依存してある種のマジックナンバーと呼べる整合性の良い磁束量子数と独特な周期律が存在すること、およびそれが磁束格子中の刃状転移と結び付いていることを明らかにした。
10μm方形ループ形状では、線幅2μm の試料で1kHz付近までの磁場変調に辛うじて抵抗変化が追随したが、掃引方向によるヒステリシスと非対称な応答を示した。今後、今年度導入したマスクレス露光装置を活用し効率的な試料作製と評価を進める。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
従来、収束イオンビーム (FIB) 装置を利用して試料加工を行ってきたが、大面積加工と試料ダメージ低減を両立させるのは困難であった。本年度、より効率的な試料加工を目指して、Bi2212単結晶加工のためのプロジェクション方式のマスクレス露光装置を導入した。光リソグラフィーとArイオンミリングによる大面積の粗加工とFIBによる仕上げ加工とを組み合わせることで、ダメージと加工時間を抑えることが可能なうえ、固有接合部分以外のBi2212を取り除くことで、そこからの磁化の影響をできる限り小さくできる。現状、電極パッド部分などの大きなパターンと微小な固有ジョセフソン接合スタックになるブリッジ部分を分けて２段階露光とすべく、ネガポジ両特性をもつレジストを用いた条件出しを行っている。
FIBのみを使用して加工した試料においては、良好な正六角形試料の作製と測定に成功し、２次元形状マッチング効果による特異な周期律を見いだすことができた。ただし、歩留まり高くなく、正５角形やディスク形状に関しては未だに良質なスタックを得ることができていない。
一方、測定においては、市販の高精度電圧電流源や独自の低ノイズ電流源などを組み合わせてノイズ低減を図っているが、現状1kHzまでの測定止まりであり、今後高周波に対応させる。
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| 今後の研究の推進方策 |
２段階露光によるリソグラフィーとイオンミリング、FIBによる最終加工という一連の両面加工プロセスを確立する。これにより、任意の形状の固有ジョセフソン接合スタック形成を効率よく進め、より本質的な現象の把握に努める。接合数制御や磁束ダム構造などの3次元的形状の工夫と、単結晶の異方性制御、レーザー照射による局所加熱などにより、単一磁束侵入への表面バリアやピン止めの寄与を明らかにする。
応用的な観点から、試料作製と測定からのフィードバックを効率的に進め、磁気振動について、綺麗な周期振動（均一な周期性、大きな振幅、可逆性）がみられる条件（試料形状、異方性、温度・磁場、測定周波数レンジ）を明らかにする。ノイズ・高周波測定、マイクロ波・光照射実験と並行して、磁気センサー開発や計算機シミュレーションによる解析を進める。さらに、磁気センサーとしてのプロトタイプデバイスの動作を確認するため、磁束フィードバックループ回路など既存のSQUIDセンサ駆動機器での駆動を試みる。
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