| 研究課題/領域番号 |
20H02631
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
浦野 千春 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (30356589)
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| 研究分担者 |
永崎 洋 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 首席研究員 (20242018)
三澤 哲郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (40635819)
石田 茂之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (90738064)
森田 行則 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (60358190)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 超伝導 / ジョセフソン効果 / 高温超伝導 / ヘリウムイオンビーム顕微鏡 / 微細加工 / 熱力学温度 / 雑音温度計 |
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| 研究実績の概要 |
電流－電圧特性においてヒステリシスの無いオーバーダンプなジョセフソン接合を得るために、集束ヘリウムイオンビームの照射条件と得られる接合特性の関係および基板構造依存性を明らかにする実験を行った。サファイア基板およびLSAT基板上にCeO2 膜、YBCO 膜(25 nm)、Au 膜が積層された薄膜試料をアルゴンイオンミリングにより加工し、超伝導細線を形成した。ヘリウムイオン照射を行う領域のAu層を選択除去し、照射幅および単位面積当たりのヘリウムイオンの照射量を変化させヘリウムイオンビーム照射を行った。これらの試料について、電気抵抗の温度変化、電流－電圧特性、マイクロ波応答などの測定を行い、接合の電気的特性と素子作製条件との相関を評価した。その結果、ヘリウムイオンビーム照射幅一定の場合、照射電流増加による臨界電流の系統的な変化が観測された。また、ある条件で作られた試料についてはシャピロステップが確認された。このことはヘリウムイオンビームによる加工により、ジョセフソン接合が形成されたことを支持している。ただし、シャピロステップの平坦性は十分ではなく、課題が残った。上記の研究結果については応用物理学会において発表した。
素子開発に加えて、極低温用プローブの改良および冷凍機の開発を行った。極低温プローブについてはジョセフソン接合にマイクロ波を照射できるようにした。また、本研究では銅酸化物高温超伝導体を用いたジョセフソン接合アレーを、スターリングエンジンを用いたコンパクトな冷凍機で運用することを目指している。スターリングエンジン冷凍機ベースの冷凍機の動作検証を行い、最低到達温度が47 Kであることを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
本研究は大きく分けて装置開発と素子開発に分けられる。装置開発については計画どおりに進んでいるが、素子開発については２つの理由により当初計画よりも遅れている。第１の理由は、コロナウイルス蔓延による出勤制限、コロナウイルス感染者の発生に伴う産総研の共同利用施設の閉鎖、共同利用施設が3カ月間改修工事のため閉鎖されたこと、などにより素子作製のための時間が非常に制限されてしまったためである。特に超伝導細線の加工に不可欠なプロセスを行うために共同利用施設の装置を利用するため、共同利用施設が長期間利用できなかったことは研究の進行は大きな影響を受けた。第２の理由は、本研究においてカギとなる、ヘリウムイオンビーム顕微鏡が１１月後半に故障し、それ以来稼働できない状態が続いていることが挙げられる。産総研の装置の故障後、大阪大学のヘリウムイオンビーム顕微鏡を用いた実験で良好な結果を得ることができてはいるが、大阪大の共同利用施設も１月以降現在も共同利用の受け入れは停止されており、素子開発が再開できない状態が続いている。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでにヘリウムイオンビーム照射により形成した接合でシャピロステップを観測することに一応は成功したといえるが、そのシャピロステップは電圧の基準として用いるには十分平坦であるとは言えない。平坦なシャピロステップを得るための条件をさらに詳しく調べる必要がある。ジョセフソン接合の質に起因する要因として、超伝導薄膜そのものと、接合部の形成条件に分割できる。
超伝導薄膜については、これまで基板材料の上にバッファ層と呼ばれる格子定数の不整合を解消するための薄膜上に銅酸化物高温超伝導体YBa2Cu3O7の薄膜を積層したものを用いていたが、今年度はバッファ層を含まない基板も用い、バッファ層の有無による違いを比較することを計画している。
接合部の加工条件については、昨年度に引き続き、集束ヘリウムイオンビームの照射条件と得られる接合特性の関係をさらに詳しく調べることにより最適化を目指す。ジョセフソン接合の加工に用いるヘリウムイオンビーム顕微鏡については、産総研の装置が復旧するまでは、大阪大学の共用施設の装置を利用して研究を進める計画である。
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