超伝導磁気メモリのためのハーフメタル型ジョセフソン素子に関する研究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K04933
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: 重田 出 鹿児島大学, 理工学域理学系, 助教 (30370050)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: ハーフメタル / ホイスラー合金 / 超伝導 / ジョセフソン効果

Outline of Annual Research Achievements

超伝導デジタル回路は，ジョセフソン素子の高速性・低消費電力性と共に，超伝導体本来の特性でもある無損失性という特徴をもつ。近年，超伝導デジタル回路の消費電力の低減化は急速に進んでいる。一方で，低消費電力・低温動作可能な超伝導メモリは，磁束量子の保持による記録に代わり，素子内に組み込まれた磁性体の磁化の向きで記憶素子を構成する方式が提案され，その集積化の可能性から研究が活性化している。そこで本研究の目的は，ハーフメタルホイスラー合金と超伝導体を用いたエピタキシャル多層膜の成膜技術とナノサイズ素子の加工技術を利用し，超伝導デジタル技術に必要な超伝導磁気メモリ(超伝導MRAM)のためのハーフメタルジョセフソン素子の作製と特性評価に取り組むことである。
初年度の昨年は，超伝導体NbNとハーフメタルホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siの二層膜の作製条件の最適化に成功し，高い超伝導転移温度と，Co2(Fe,Mn)Siのバルクの値とほぼ等しい自発磁化をもつことを明らかにした。そこで，2年目に当たる今年度は，NbNとCo2(Fe,Mn)Siをエピタキシャル成長させた二層膜を成膜し，強磁場中輸送特性の測定を行った。超伝導ゆらぎ理論の解析を進めることによって，ジョセフソン素子特性を最適化する際に重要となるコヒーレンス長や上部臨界磁場，拡散定数，非弾性散乱時間などの導出にも取り組んだ。また，成膜したCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率を直接決定し，Co2(Fe,Mn)Siが高いスピン分極率をもつことを明らかにすることは，Co2(Fe,Mn)Siのハーフメタル性を保証するために重要である。そこで，NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造のエピタキシャル接合アンドレーエフ反射(ECAR)素子の作製と，その素子を利用したアンドレーエフ分光法の測定を行うことによって，ホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の決定にも取り組んだ。加えて，NbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造のハーフメタルジョセフソン素子の作製に取り掛かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ハーフメタルであるCo2(Fe,Mn)SiがNbNの超伝導性に与える影響を調べるために，エピタキシャル成長させたNbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の二層膜の超伝導特性を調べた。二層膜の電気抵抗と磁化の測定を行ったところ，16Kの高い超伝導転移温度と23Tの高い上部臨界磁場をもつことがわかった。さらに，Co2(Fe,Mn)Siバルクの値とほぼ等しい自発磁化を有していることも明らかになり，超伝導体NbNとホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siの良質な二層膜の成膜に成功した。そこで，最大17Tの強磁場中輸送特性の測定に取り組み，超伝導ゆらぎ理論の解析から，コヒーレンス長や拡散定数，非弾性散乱時間などを見積もった。さらに，二層膜の磁束運動の活性化エネルギーの評価も行った。これらはCo2(Fe,Mn)SiとNbNを用いたジョセフソン素子の特性を最適化する上で重要な情報である。
次いで，NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の二層膜を用いて，エピタキシャル接合アンドレーエフ反射(ECAR)素子を作製した。アンドレーエフ反射分光法によるCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の測定にも取り組み，ホイスラー合金Co2FeSiのスピン分極率を54±2%と決定することができた。これまでのスピン分極率の報告に関しては，点接触型アンドレーエフ反射(PCAR)法が主流であった。したがって，素子界面を原子レベルで制御したECAR素子を用いて，ホイスラー合金のスピン分極率測定に成功した初めての研究成果である。ゆえに，このエピタキシャル接合素子を用いたアンドレーエフ反射分光法によって，ハーフメタルジョセフソン素子に用いるCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率測定を直接決定することが可能となった。
以上を踏まえて，最適な成膜条件を用いて，MgO単結晶基板上にCo2(Fe,Mn)Siの膜厚を変化させたNbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造の三層膜を成膜した。この三層膜を用いてハーフメタルジョセフソン素子を作製し，その素子特性の評価にも取り掛かった。

Strategy for Future Research Activity

NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の二層膜に関しては，異なる組成や膜厚の二層膜の強磁場中輸送特性の測定を継続し，超伝導ゆらぎ理論を用いた解析や磁束運動の活性化エネルギーの解析を進める。
NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造のエピタキシャル接合アンドレーエフ反射(ECAR)素子を用いたアンドレーエフ反射分光法に関しては，Co2FeSiとは組成の異なるCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の測定を継続し，Co2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の組成依存性を明らかにする。
さらに，最適化した成膜条件を用いて，エピタキシャル成長させたNbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造のハーフメタルジョセフソン素子の作製と特性の評価を継続する。ハーフメタル層であるCo2(Fe,Mn)Siの膜厚を変化させたジョセフソン素子を作製し，その素子特性のCo2(Fe,Mn)Siの膜厚依存性を調べることによって，ハーフメタルジョセフソン素子の特性を検証する予定である。

Causes of Carryover

購入したDSPデジタルロックインアンプ2位相型を安価に購入することができたため，次年度使用額が生じた。
そこで，アンドレーエフ反射法のための測定用試料として用いる低飽和磁化ハーフメタル材料の高純度原料の購入費の一部に充当する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Twente(Netherlands)
  • Country Name: Netherlands
  • Counterpart Institution: University of Twente
• [Int'l Joint Research] Moscow Inst. of Physics and Technology(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: Moscow Inst. of Physics and Technology
• [Journal Article] Transport properties of epitaxial films for superconductor NbN and half-metallic Heusler alloy Co2MnSi under high magnetic fields (2018)
  • Author(s): Iduru Shigeta, Takahide Kubota, Yuya Sakuraba, Shojiro Kimura, Satoshi Awaji, Koki Takanashi, Masahiko Hiroi
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: 536 Pages: 310-313
  • DOI: 10.1016/j.physb.2017.09.074
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature dependence of differential conductance in Co-based Heusler alloy Co2TiSn and superconductor Pb junctions (2018)
  • Author(s): Ryutaro Ooka, Iduru Shigeta, Rie Y. Umetsu, Akiko Nomura, Kunio Yubuta, Touru Yamauchi, Takeshi Kanomata, Masahiko Hiroi
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: 536 Pages: 289-292
  • DOI: 10.1016/j.physb.2017.10.055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Epitaxial contact Andreev reflection spectroscopy of NbN/Co2FeSi layered devices (2018)
  • Author(s): Iduru Shigeta, Takahide Kubota, Yuya Sakuraba, Cor G. Molenaar, Joost N. Beukers, Shojiro Kimura, Alexander A. Golubov, Alexander Brinkman, Satoshi Awaji, Koki Takanashi, Masahiko Hiroi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Pages: 072402(1)-(5)
  • DOI: 10.1063/1.5007287
• [Journal Article] Pressure effect on the magnetic properties of the half-metallic Heusler alloy Co2TiSn (2018)
  • Author(s): Iduru Shigeta, Yutaro Fujimoto, Yuya Nishisako, Ryutaro Ooka, Masahito Tsujikawa, Rie Y. Umetsu, Akiko Nomura, Kunio Yubuta, Yoshio Miura, Takeshi Kanomata, Masafumi Shirai, Jun Gouchi, Yoshiya Uwatoko, Masahiko Hiroi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Pages: 104414(1)-(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.104414
• [Journal Article] Masahiko Hiroi, Tomohito Nonoyama, Genta Adachi, Iduru Shigeta, Hirotaka Manaka, Norio Terada (2018)
  • Author(s): Magnetic properties of Heusler compound Fe1.3Mn1.7Si
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 969 Pages: 012098(1)-(6)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012098
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetization and magnetic phase diagram of Heusler compounds Fe3-y(Mn1-xVx)ySi (y =1 and 1.5) (2018)
  • Author(s): Masahiko Hiroi, Syunya Ishikuma, Iduru Shigeta, Keiichi Koyama, Akihiro Kondo, Koich Kindo, Hirotaka Manaka, Norio Terada
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 969 Pages: 012099(1)-(6)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012099
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermodynamic properties of Heusler Fe2-xCoxMnSi (2017)
  • Author(s): Masakazu Ito, Tatsuya Furuta, Keita Kai, Atsushi Taira, Keijiro Onda, Iduru Shigeta, Masahiko Hiroi
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: 428 Pages: 390-393
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.12.070
  • Peer Reviewed
• [Presentation] アンドレーエフ反射分光法によるCo基ホイスラー合金Co2FeSiのスピン分極率測定 (2018)
  • Author(s): 重田出, 窪田崇秀, 木村尚次郎, 淡路智, 高梨弘毅, 廣井政彦
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Transport properties of epitaxial films for superconductor NbN and half-metallic Heusler alloy Co2MnSi under high magnetic fields (2017)
  • Author(s): Iduru Shigeta, Takahide Kubota, Yuya Sakuraba, Shojiro Kimura, Satoshi Awaji, Koki Takanashi, Masahiko Hiroi
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature dependence of differential conductance in Co-based Heusler alloy Co2TiSn and superconductor Pb junctions (2017)
  • Author(s): Ryutaro Ooka, Iduru Shigeta, Rie Y. Umetsu, Akiko Nomura, Yubuta Kunio, Touru Yamauchi, Takeshi Kanomata, Masahiko Hiroi
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic properties of Heusler compound Fe1.3Mn1.7Si (2017)
  • Author(s): Masahiko Hiroi, Tomohito Nonoyama, Genta Adachi, Iduru Shigeta, Hirotaka Manaka, Norio Terada
  • Organizer: The 28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetization and magnetic phase diagram of Heusler compounds Fe3-y(Mn1-xVx)ySi (y =1 and 1.5) (2017)
  • Author(s): Masahiko Hiroi, Syunya Ishikuma, Iduru Shigeta, Keiichi Koyama, Akihiro Kondo, Koich Kindo, Hirotaka Manaka, Norio Terada
  • Organizer: The 28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 圧力下におけるCo基ホイスラー合金Co2TiGaの磁気特性 (2017)
  • Author(s): 大岡隆太郎, 重田出, 梅津理恵, 野村明子, 湯蓋邦夫, 上床美也, 鹿又武, 廣井政彦
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 高スピン分極ホイスラー合金Co2TiGa1-xSnxと超伝導体Pbのアンドレーエフ反射接合における微分コンダクタンスの温度依存性 (2017)
  • Author(s): 大岡隆太郎, 重田出, 梅津理恵, 野村明子, 湯蓋邦夫, 山内徹, 鹿又武, 廣井政彦
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ホイスラー合金Co2FeSiと超伝導体NbNのエピタキシャル素子を用いたアンドレーエフ反射分光法によるスピン分極率測定 (2017)
  • Author(s): 重田出, 窪田崇秀, 桜庭裕弥, Cor G. Molenaar, Joost N. Beukers, 木村尚次郎, Alexander A. Golubov, Alexander Brinkman, 淡路智, 高梨弘毅, 廣井政彦
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ハーフメタル型ホイスラー合金Co2TiSnの磁化の圧力効果とスピンゆらぎ理論の解析 (2017)
  • Author(s): 重田出，大岡隆太郎, 梅津理恵, 野村明子, 湯葢邦夫, 鹿又武, 上床美也, 廣井政彦
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ハーフメタル型ホイスラー合金Co2MnSi/超伝導体NbN薄膜の高磁場中輸送特性 (2017)
  • Author(s): 重田出，窪田崇秀, 桜庭裕弥, 木村尚次郎, 淡路智, 高梨弘毅, 廣井政彦
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ホイスラー合金Co2FeSiのエピタキシャル接合アンドレーエフ反射分光 (2017)
  • Author(s): 重田出, 窪田崇秀, 桜庭裕弥, Cor G. Molenaar, Joost N. Beukers, 木村尚次郎, Alexander A. Golubov, Alexander Brinkman, 淡路智, 高梨弘毅, 廣井政彦
  • Organizer: 第123回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] ハーフメタル型ホイスラー合金Co2TiGa1-xSnxのスピン分極率 (2017)
  • Author(s): 大岡隆太郎, 重田出, 梅津理恵, 三浦良雄, 野村明子, 湯蓋邦夫, 山内徹, 鹿又武, 廣井政彦
  • Organizer: 第123回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] ホイスラー合金Co2-xMn1+xSn (0 ≦ x ≦ 1)の磁気特性およびスピン分極率 (2017)
  • Author(s): 分銅勇斗, 大岡隆太郎, 重田出, 梅津理恵, 湯葢邦夫, 山内徹, 廣井政彦
  • Organizer: 第123回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] ホイスラー合金Co2TiGaの磁気特性 (2017)
  • Author(s): 永元暢一, 大岡隆太郎, 重田出, 梅津理恵, 野村明子, 湯葢邦夫, 山内徹, 鹿又武, 真中浩貴, 寺田教男, 廣井政彦
  • Organizer: 第123回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] ホイスラー化合物Fe3-xMnxSiの磁気特性 (2017)
  • Author(s): 野々山智仁, 足立玄太, 加藤遼太, 重田出, 廣井政彦, 真中浩貴, 寺田教男
  • Organizer: 第123回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] 加藤遼太, 野々山智仁, 足立弦太, 大岡隆太郎, 重田出, 廣井政彦 (2017)
  • Author(s): ホイスラー化合物Fe3-xMnxSiの磁場中輸送特性
  • Organizer: 第123回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] ホイスラー化合物Fe2-xNi1+xAlのメスバウアー測定 (2017)
  • Author(s): 園田一貴, 尾上昌平, 恩田圭二郎, 廣井政彦, 上床美也, 小山圭一, 三井好古, 重田出, 伊藤昌和
  • Organizer: 第123回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] 大岡隆太郎，重田出，梅津理恵，三浦良雄，野村明子，湯蓋邦夫，上床美也，鹿又武，廣井政彦 (2017)
  • Author(s): ハーフメタル型ホイスラー合金Co2TiGa1-xSnxのスピン分極率と磁気体積効果
  • Organizer: 第9回半導体材料・デバイスフォーラム
• [Presentation] ホイスラー合金Co2-xMn1+xSn (0 ≦ x ≦ 1)の物性 (2017)
  • Author(s): 分銅勇斗，大岡隆太郎，重田出，梅津理恵，湯葢邦夫，山内徹，廣井政彦
  • Organizer: 第9回半導体材料・デバイスフォーラム
• [Presentation] 遍歴強磁性体Co2TiGaの磁気特性 (2017)
  • Author(s): 永元暢一，大岡隆太郎，重田出，梅津理恵，野村明子，湯葢邦夫，山内徹，鹿又武，真中浩貴，寺田教男，廣井政彦
  • Organizer: 第9回半導体材料・デバイスフォーラム