2017 Fiscal Year Annual Research Report
位相エンジニアリングで拓く100GHz超・極低電力半磁束量子回路の学理と応用
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16H02340
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
藤巻 朗 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20183931)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤池 宏之 大同大学, 工学部, 教授 (20273287)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 単一磁束量子 / 半磁束量子 / 磁性ジョセフソン接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は、初期位相差が通常のジョセフソン接合に比べπだけずれるπシフト磁性ジョセフソン接合を使った新しい半磁束量子回路の提案を行った。回路の解析は、当初は数値解析で行ったが、横浜国立大学で開発されたπシフト接合も扱える回路シミュレータの提供を受け、後半は、それを用いて解析を進めた。その結果、ほぼ確立された超伝導回路技術である単一磁束量子回路のジョセフソン接合を、0-πSQUIDで置き換えることで、高速性と低消費電力性を示す超伝導回路を構成できることを明らかにした。ここで、0-πSQUIDとは、従来のジョセフソン接合1個とπシフトジョセフソン接合1個を超伝導ループに含む超伝導量子干渉デバイスである。信号とπの位相差変化が対応していることから、明確な半磁束量子回路ということができる（単一磁束量子の場合の位相差の変化は2π）。
一方実験では、磁性ジョセフソン接合の制御性・再現性について、研究を進めた。超伝導電極材料にNb、強磁性体にはNiを原子パーセントで11％含むPdNi合金、トンネル障壁層にはAlOxを用いて、Nb/AlOx/PdNi/Nb構造を形成した。PdNi合金は、同時スパッタ法によって成膜し、厚さは時間で制御している。πシフトは、超伝導電子のスピンの向きが強磁性体の交換相互作用により反転することで実現する。したがって、PdNi層の膜厚に対して、特性は敏感であるが、我々の実験では10nmから15nmの幅で面内均一性良くπ接合が得られることが分かった。これを用いて、1/2分周回路を設計、試作した。1個の回路において1THzの動作速度が確認された。これは、19年前に記録された760GHzを上回る結果となっている。現在、再現性を調査中である。このように、数値解析、実験において、半磁束量子回路が従来にない性能を持つことを実証しつつある。
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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
申請者らが提案した半磁束量子回路は、πシフト磁性ジョセフソン接合（π接合）と通常のジョセフソン接合（0接合）の組み合わせによって、低消費電力化や高速化と言った特徴が生み出される。しかしながら、物理的なイメージが掴みにくいこともあり、超伝導回路の専門家の間でも懐疑的な意見が持たれていた。平成29年度に行った一連の数値解析は、この問題を明確に克服し、半磁束量子回路の意義を定着させた。なお、これには、本研究のメンバーではないが、横浜国立大学の協力は極めて大きかった。すなわち、同大が開発したアナログシミュレータにより、より複雑な回路が簡単に解析できるようになり、回路解析が大幅に進んだ。
0接合とπ接合を作り分ける技術が、実験では求められる。しかしながらこの技術的なハードルは高く、回路化の障害となっていた。これに対し、π接合だけを用いて半磁束量子回路を具現化する手法を見出した。これにより、1/2分周回路の構成が可能となり、プレリミナリな実験結果ではあるが、1THzを超える動作の可能性を示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度までに、半磁束量子回路の有用性は立証できた。同時にその構成要素となる0-πSQUIDは、磁束量子ビットと同様な二重井戸ポテンシャルを外部磁場や電流なしで具現化できることを見出した。さらに、二重井戸の間にある障壁高さもインダクタンスや臨界電流値を制御することで調整可能であることが分かった。このことは、ほんのわずかな磁場で、0-πSQUIDの内部状態を反転することが可能であることを意味している。これを応用すると、半磁束量子に伴う電磁パルスで、書込み・読出し可能なメモリを構成できることが可能であり、超伝導回路の高速性・低消費電力性を生かすマトリクスメモリの実現が可能となる。今後は、半磁束量子回路の集積化とともに、マトリクスメモリの研究開発も進めていく。
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