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超伝導位相エンジニアリンググループ

超伝導体特有の性質を利用した電子デバイスは、超伝導量子干渉素子(SQUID)やテラヘルツ波発振・受信素子をはじめ様々なものが研究されており、多くは量子位相に立脚しています。当グループでは主に酸化物系および金属系の超伝導体を用い、量子位相の利用に根差したデバイス応用を目指し、材料創製、デバイス化、計測技術とともに、現象の背景にある物理の解明を行っています。

走査SQUID顕微鏡(SSM)やSTMは磁束量子の挙動解明に大きな役割を果たしてきましたが、より高い分解能や感度の実現、そして様々な環境下での計測や多機能化のための開発を行っています。これらを用いた磁束量子の挙動解明も我々の重要なテーマです。テラヘルツ素子は、広く研究が行われてきた単結晶の他、Bi系薄膜などを用いたプロトタイプ作製を進めるとともに、多バンド多成分系超伝導体中の位相差ソリトンの物理的解明やそのデバイス応用も目指しています。

これらの超伝導の物理に平行して、様々な応用に適したバルク単結晶や薄膜の材料を開発しています。また、これまで薄膜合成で培ってきた結晶の配向制御や準平衡状態での成長などの技術を活かし、薄膜プロセスをベースにした次世代線材の作製や永久電流モード動作に不可欠な接合技術にも取り組み、現象の理解の観点から、シミュレーションにも注力しています。

専門分野・研究対象

固有ジョセフソンTHz発振器の開発

Bi2Sr2CaCu2O8の結晶に、メサ構造を加工し、メサそのものをキャビティとして用い、交流ジョセフソン発振周波数と一致させることで、THz発振器を開発しています。電流 - 電圧特性の負性抵抗領域における高強度・狭線幅・周波数可変の発振現象を見出しています。周波数可変性は接合中心付近に現れる“HOT SPOT” (図のメサ中央部にドーナツ状に見える) が重要な役割を果たしていることを見出しています。

「メサへの給電とHOT SPOT・定在波の形成 (王華兵)」の画像

メサへの給電とHOT SPOT・定在波の形成 (王華兵)




ボルテックス (磁束量子) ダイナミクスの解明と新機能発現

磁場がジョセフソン接合と平行な場合に生じるジョセフソンボルテックスとそれに垂直な磁場によって生じるパンケーキ様ボルテックスとの相互作用によりジョセフソンボルテックスのダイナミクスを制御し、ラチェット効果を実現しました。基礎的なボルテックスダイナミクスを探り、それを利用した新たな低エネルギー消費・高速磁束量子素子の実現を目指しています。

「ジョセフソン/パンケーキボルテックスの生成とラチェット効果 (大井・平田)」の画像

ジョセフソン/パンケーキボルテックスの生成とラチェット効果 (大井・平田)




STM-SQUIDの開発

超伝導体内で量子化された磁束 (磁束量子 : ボルテックス) の振る舞いは超伝導体が示す重要な物理現象の一つであり、超伝導機構解明、超伝導線材内の磁束量子ピンニング、そして磁束量子デバイス応用と密接に関連しています。酸化物系、金属間化合物系、或いは新規に発見された超伝導単結晶内の磁束量子電子状態を観測することで超伝導機構の解明を目指すとともに、ナノレベルで制御された様々な構造に超伝導体を加工した超伝導体内での磁束量子ダイナミクスを探ることで超伝導磁束量子デバイスの基礎を築きます。磁束量子観察手段の一つとして、空間分解能1μm以下の低温磁場中動作が可能な走査型トンネル顕微鏡-SQUID (STM-SQUID) を開発します。

「STM-SQUIDで得られる表面イメージ/磁気イメージ像 (立木実)」の画像

STM-SQUIDで得られる表面イメージ/磁気イメージ像 (立木実)




お問い合わせ先

超伝導位相エンジニアリンググループ
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
E-Mail: ARISAWA.Shunichi=nims.go.jp([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人物質・材料研究機構
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL.029-859-2000 (代表)