固有ジョセフソン接合素子、及び、これを用いた量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機、並びに、固有ジョセフソン接合素子の製造方法
【課題】鉄ヒ素系超伝導体における固有ジョセフソン接合効果の発現を可能とする固有ジョセフソン接合素子を提供する。
【解決手段】超伝導層２及び絶縁層３がｃ軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなり、ｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った任意の方向に離間して配置される第一電極部１０及び第二電極部２０と、これら第一電極部１０と第二電極部２０とを接続するブリッジ部３０とから固有ジョセフソン接合素子１を構成する。ブリッジ部３０には、第一スリット３１と第二スリット３２とによってｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部３３を形成する。
【解決手段】超伝導層２及び絶縁層３がｃ軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなり、ｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った任意の方向に離間して配置される第一電極部１０及び第二電極部２０と、これら第一電極部１０と第二電極部２０とを接続するブリッジ部３０とから固有ジョセフソン接合素子１を構成する。ブリッジ部３０には、第一スリット３１と第二スリット３２とによってｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部３３を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄ヒ素系超伝導体を用いた固有ジョセフソン接合素子、及び、当該固有ジョセフソン接合素子を応用した機器、並びに、固有ジョセフソン接合素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対の超伝導体の間に薄い絶縁膜を挟んだ構造をなすジョセフソン接合素子が知られている。このジョセフソン接合素子は、弱く結合した２つの超伝導体の間に、超伝導電子対のトンネル効果によって超伝導電流が流れるといったジョセフソン効果を用いた素子である。
【０００３】
また、銅酸化物系超伝導体等の層状超伝導体においては、超伝導層と非超伝導層（絶縁層）が交互に積み重なった結晶構造をなしており、即ち、結晶構造の原子層単位での伝導性の違いにより、超伝導層同士が弱く結合したジョセフソン接合が結晶中に自然に形成された構造をなしている。
【０００４】
これを固有ジョセフソン接合といい、人工的に作製するジョセフソン接合と比較して界面における結晶欠陥が少ないため、絶縁層の性質がよく、高品質な接合構造を作製することができる。このような銅酸化物系超伝導体の固有ジョセフソン接合に関する技術としては、例えば特許文献１、２に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９１６５４号公報
【特許文献２】特開２００７−８１２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、鉄を含む新たな種類の高温超伝導体である鉄ヒ素系超伝導体が発見され、銅酸化物系超伝導体以外の物質では最高記録となる臨界温度を達成し、世界の注目を集めている。
【０００７】
ここで、上記鉄ヒ素系超伝導体を用いたジョセフソン接合としては、異なる超伝導体を人工的に積層して、両側の超伝導体を別物質とした接合構造の作製報告がなされている。しかしながら、一物質の鉄ヒ素系超伝導体によるジョセフソン接合の作製は未だなされておらず、当該鉄ヒ素系超伝導体においても銅酸化物系超伝導体のように固有ジョセフソン効果が発現されるか否かは不明であった。
【０００８】
また、鉄ヒ素系超伝導体は、銅酸化物系超伝導体とは異なる結晶構造を有し、従前発見されたいかなる超伝導体とも異なる電気伝導性質を有している（ペアポテンシャルがｓ±波）ため、固有ジョセフソン効果を発現するか否か予測することもできなかった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、固有ジョセフソン効果を発現する鉄ヒ素系超伝導体からなる固有ジョセフソン接合素子、及び、当該固有ジョセフソン素子を用いた量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機、並びに、固有ジョセフソン接合素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ここで、本発明の発明者らが鋭意研究を重ねたところ、鉄ヒ素系超伝導体においても銅酸化物系超伝導体と同様に固有ジョセフソン効果を発現することが証明された。
本発明の固有ジョセフソン接合素子はこのような知見に基づいてなされたものであって、超伝導層と絶縁層とがｃ軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の固有ジョセフソン接合素子は、前記ｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った任意の方向であるｘ軸方向に離間して配置される第一電極部及び第二電極部と、これら第一電極部と第二電極部とを接続するブリッジ部とを備え、該ブリッジ部は、前記ｃ軸方向一方側から凹むとともに前記ｘ軸方向及び前記ｃ軸方向の双方に直交するｙ軸方向にわたって延びる第一スリットと、前記ｃ軸方向他方側から凹むとともに前記ｙ軸方向にわたって延びる第二スリットと、これら第一スリットと第二スリットとによって前記ｘ軸方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部とを備えていることを特徴とする。
これにより、ジョセフソン電流流通部においてｃ軸方向に超伝導電流が流通する固有ジョセフソン効果を発現させることができる。
【００１２】
さらに、本発明の固有ジョセフソン接合素子においては、前記鉄ヒ素系超伝導体が、Ｌｎ（希土金属）、Ｆｅ、Ａｓ、Ｏ、の元素を含む１１１１系の化合物であることが好ましい。また、上記元素に加えてＦを含む１１１１系の化合物であってもよい。
【００１３】
また、本発明の固有ジョセフソン接合素子においては、前記鉄ヒ素系超伝導体が、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７であることがより好ましい。
【００１４】
本発明に係る量子ビットは、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る超伝導量子干渉素子は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ検出器は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るテラヘルツ発振器は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る電圧標準装置は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るミリ波・サブミリ波受信機は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る固有ジョセフソン接合素子の製造方法は、超伝導層と絶縁層とからなる積層状結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶を、基板上に固定するステップと、前記単結晶に対して、前記超伝導層及び前記絶縁層の積層方向であるｃ軸方向に直交するｙ方向から集束イオンビーム加工を施すステップとを備えることを特徴とする。
さらに、前記単結晶に対して、前記ｃ軸方向から集束イオンビーム加工を施すステップをさらに備えていてもよい。
これにより、上記固有ジョセフソン接合素子を容易かつ確実に作製することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の固有ジョセフソン接合素子及び固有ジョセフソン接合素子の製造方法によれば、鉄ヒ素系超伝導体において固有ジョセフソン効果を発現させることができる。
また、この固有ジョセフソン接合素子を応用することによって、適切に機能する量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子の斜視図である。
【図２】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子の（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。
【図３】鉄ヒ素系超伝導体であるＰｒＦｅＡｓＯ１−ｙの構成を示す図である。
【図４】ジョセフソン電流流通部を模式的に表した斜視図である。
【図５】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子の製造方法を説明する図である。
【図６】（ａ）はブリッジ部がｙ軸方向片側に配置された構成の固有ジョセフソン接合素子の平面図、（ｂ）ブリッジ部の幅が第一電極部及び第二電極部と同様の寸法となした構成の固有ジョセフソン接合素子の平面図である。
【図７】基板の上面にｃ軸方向を沿わせるようにした固有ジョセフソン接合素子の斜視図である。
【図８】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いた超伝導量子干渉素子の模式図である。
【図９】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いた超伝導量子干渉素子の他の形態の模式図である。
【図１０】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いたテラヘルツ検出器の模式図である。
【図１１】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いたテラヘルツ発振器の模式図である。
【図１２】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いた電圧標準装置の模式図である。
【図１３】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いたミリ波・サブミリ波受信機の模式図である。
【図１４】（ａ）はａｂ平面の抵抗率ρａｂの温度依存性を示すグラフ、（ｂ）はｃ軸方向の抵抗率ρｃの温度依存性を示すグラフ、（ｃ）は異方性の値γρの温度依存性を示すグラフである。
【図１５】固有ジョセフソン接合素子におけるｃ軸方向のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子について、図面を参照して詳細に説明する。
固有ジョセフソン接合素子１は、図１及び図２に示すように、鉄ヒ素系超伝導体の単結晶に加工を施すことにより得られるものであって、第一電極部１０と第二電極部２０とがブリッジ部３０で接続された構成をなしている。
【００２４】
この固有ジョセフソン接合素子１を構成する鉄ヒ素系超伝導体としては、図３に示すＬｎ（ランタノイド）、Ｆｅ（鉄）、Ａｓ（ヒ素）、Ｏ（酸素）の元素を含む１１１１系のＰｒＦｅＡｓＯ１−xを採用した。このＰｒＦｅＡｓＯ１−xは、いわゆる酸素欠損型の鉄ヒ素系超伝導体であり、組成式におけるｘの値は適宜設定することが可能である。具体的には、本実施形態においては、ｘの値を０．３としたＰｒＦｅＡｓＯ０．７を用いた例について説明する。
【００２５】
このＰｒＦｅＡｓＯ０．７は、超伝導層２としてのＦｅＡｓ層と、絶縁層３としてのＰｒＯ層がｃ軸方向に交互に積層された構造をなしている。したがって、当該ＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶からなる固有ジョセフソン接合素子１においても、その全域において超伝導層２と絶縁層３とによる積層構造をなしており、これら超伝導層２と絶縁層３との積層方向、即ち、ｃ軸方向が上下方向に一致するように配置される。
【００２６】
第一電極部１０及び第二電極部２０は、ｃ軸方向の寸法が等しい略直方体形状のブロック体構造をなしており、ｃ軸方向に直交する方向、即ち、ａｂ面に沿った任意の方向（以下、ｘ方向と称する）に離間して配置されている。これら第一電極部１０及び第二電極部２０のｃ軸方向の寸法は例えば１０μｍ以下に設定されている。
【００２７】
これら第一電極部１０及び第二電極部２０の互いに対向する面同士は、これら第一電極部１０及び第二電極部２０とｃ軸方向の寸法が等しいブリッジ部３０によって接続されている。これによって、第一電極部１０及び第二電極部２０に直流電流あるいは交流電流を流通させた際には、当該電流がブリッジ部３０を通過することになる。
【００２８】
このブリッジ部３０は、ｃ軸方向及びｘ軸方向の双方に直交する方向、即ち、ｘ軸方向に直交するａｂ面に沿った方向（以下、ｙ軸方向と称する）の寸法が第一電極部１０及び第二電極部２０よりも小さく設定されており、例えば２〜３μｍ程度に設定されている。ブリッジ部３０の表面（ｃ軸方向一方側の面）における第一電極部１０寄りの箇所には、該ブリッジ部３０の表面から凹むとともにブリッジ部３０のｙ軸方向全域にわたって延びる第一スリット３１が形成されている。また、ブリッジ部３０の裏面（ｃ軸方向他方側の面）における第二電極部２０寄りの箇所には、該ブリッジ部３０の裏面から凹むとともにブリッジ部３０のｙ軸方向全域にわたって延びる第二スリット３２が形成されている。
【００２９】
これら第一スリット３１及び第二スリット３２の深さ寸法は、少なくともブリッジ部３０のｃ軸方向の寸法の半分を超える値とされている。これによって、ブリッジ部３０には、第一スリット３１と第二スリット３２とによってｘ軸方向両側から挟まれた部分であるジョセフソン電流流通部３３が形成されている。
【００３０】
図４にジョセフソン電流流通部３３の模式斜視図を示す。このジョセフソン電流流通部３３のｘ軸方向の寸法は例えば１〜２μｍと非常に狭小に形成されており、さらに、上述したようにｙ軸方向の寸法も２〜３μｍと狭小とされている。したがって、このジョセフソン電流流通部３３においては、電流が流通する方向が超伝導層２と絶縁層３とが交互に積層されたｃ軸方向に限定される。
【００３１】
次に、このような構成をなす固有ジョセフソン接合素子１の製造方法について説明する。
まず、鉄ヒ素系超伝導体であるＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を、例えば高圧合成法によって取得する。この高圧合成法においては、原料としてＬｎＡｓ前駆体、Ｆｅ粉、α−Ｆｅ２Ｏ３を用い、これら原料を混合して高圧高温化に曝すことによって、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７を合成する。
【００３２】
次いで、このように得たＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を１０μｍ〜１００μｍ程度のペレット状に切断し、図５（ａ）に示すように、例えばＳｒＴｉＯ３、ガラス、Ｓｉ基板等からなる基板４０上に単結晶４として設置する。本実施形態においては、例えば単結晶４におけるｃ軸方向、即ち、超伝導層２と絶縁層３との積層方向が、基板４０の上面に垂直な方向に一致するように設置する。
【００３３】
その後、図５（ｂ）に示すように、単結晶４におけるｘ軸方向中央部分に対して、上方向から、即ち、ｃ軸方向からＧａ（ガリウム）イオンビーム４１によるＦＩＢ加工（集束イオンビーム加工）を施すことによるネッキングを行う。これにより、単結晶４におけるｘ軸方向中央部分のｙ軸方向両側の部分が剥ぎ取られ、第一電極部１０及び第二電極部２０とがブリッジ部３０によって接続された構成が形成される。
【００３４】
次いで、図５（ｃ）に示すように、ブリッジ部３０の側方から、即ち、ｙ軸方向からＧａ（ガリウム）イオンビーム４２によるＦＩＢ加工を行うことにより、第一スリット３１及び第二スリット３２を形成する。これによって、ブリッジ部３０は全体としてＳ字形状をなし、そのｘ軸方向中央部分にはｃ軸方向に延びるジョセフソン電流流通部３３が形成され本実施形態の固有ジョセフソン接合素子１が得られる。
【００３５】
このような固有ジョセフソン接合素子１によれば、臨界温度Ｔｃ以下に冷却した後、第一電極部１０及び第二電極部２０に直流電流あるいは交流電流を流通させると、ジョセフソン電流流通部３３においてジョセフソン効果が発現されることにより、当該ジョセフソン電流流通部３３をｃ軸方向に沿って超伝導電流（ジョセフソン電流）が流通する。即ち、鉄ヒ素系超伝導体による固有ジョセフソン効果を実現することができる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、Ｌｎ、Ｆｅ、Ａｓ、Ｏの元素を含む１１１１系の鉄ヒ素系超伝導体として酸素欠損型のＰｒＦｅＡｓＯ１−ｘを用いた例について説明したが、Ｐｒを他の種類のＬｎに置換した鉄ヒ素系超伝導体、例えば、ＬａＦｅＡｓＯ等や、フッ素置換型のＳｍＦｅＡｓＯ０．９Ｆ０．１等を採用してもよい。この場合も、実施形態と同様に固有ジョセフソン効果を発現することができる。
【００３７】
また、１１１１系の鉄ヒ素系超伝導体のみならず、ＳｒＦｅ２Ａｓ２等の１２２系、Ｌｉ１−ｘＦｅＡｓ等の１１１系、ＦｅＳｅ等の１１系、あるいはペロブスカイト型層間物質を有する（Ｆｅ２Ａｓ２）（Ｓｒ４Ｖ２Ｏ６）等の鉄ヒ素系超伝導体を用いて固有ジョセフソン接合素子１を構成してもよい。なお、ＡｓがＰに置き換わった材料系も同様の超伝導特性を有しているため、この材料系を用いて固有ジョセフソン接合素子１を構成しても良い。これらの場合も実施形態と同様に固有ジョセフソン効果を発現することが見込まれる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施形態においては、図５（ｂ）において、ＦＩＢ加工を施すことによりｘ軸方向中央部分のｙ軸方向両側の部分が剥ぎ取るネッキングを行ったが、当該ＦＩＢ加工はｘ軸方向中央部分のｙ軸方向片側のみに施してもよい。この場合、固有ジョセフソン接合素子１は、例えば図６（ａ）に示すように、ブリッジ部３０がｙ軸方向片側に配置された構成となる。
【００３９】
また、単結晶４におけるｙ軸方向の寸法が十分狭小な場合は、ＦＩＢ加工によるネッキングを施さなくてもよく、この場合、固有ジョセフソン接合素子１は、図６（ｂ）に示すように、ブリッジ部３０の幅が第一電極部１０及び第二電極部２０と同様の寸法となした構造となる。
【００４０】
さらに、実施形態においては、基板４０上に単結晶４として設置する際に単結晶４におけるｃ軸方向を基板４０の上面に垂直な方向に一致するように設置したが、これに限定されることはなく、基板４０の上面にｃ軸方向を沿わせるようにして単結晶４を設置してもよい。この場合、ａｂ面は基板４０の上面に垂直な面とされ、当該基板４０の上面に垂直な方向（ｙ軸方向）からＧａ（ガリウム）イオンビームによるＦＩＢ加工が施される。これにより、図７に示すように、ｘ方向に離間する第一電極部１０と第二電極部２０がブリッジ部３０によって接続された固有ジョセフソン素子１が形成され、ブリッジ部３０における第一スリット３１と第二スリット３２との間のジョセフソン電流流通部３３において固有ジョセフソン効果を発現させることができる。
【００４１】
また、例えば、実施形態の固有ジョセフソン接合素子１を用いて量子ビットを構成してもよい。これにより、量子計算機の実現に寄与することができる。
【００４２】
さらに、図８に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いて超伝導量子干渉素子５０を構成してもよい。この超伝導量子干渉素子５０は、一対の固有ジョセフソン接合素子１を備えており、これら固有ジョセフソン接合素子１の第一電極部１０、第二電極部２０同士がそれぞれ一体に接続されることで、鉄ヒ素系超伝導体系からなる超伝導リング構造５１をなしている。そして、固有ジョセフソン接合素子１におけるジョセフソン電流流通部３３が固有ジョセフソン効果を発現することにより、超伝導量子干渉素子５０としての機能を発揮することができる。
【００４３】
また、超伝導量子干渉素子５０としては、例えば図９に示すような構成であってもよい。この超伝導量子干渉素子５０においては、ｃ軸方向の各面にｘ軸方向に離間して配置された第一スリット５３及び第二スリット５４が形成されている。そして、第一スリット５３と第二スリット５４とによってｘ方向から挟まれた部分の中央には、ｙ方向に貫通する貫通孔５５が形成されており、当該貫通孔５５の周囲が一対のジョセフソン電流流通部３３を備えた超伝導リング構造５１とされている。このような構造の超伝導量子干渉素子５０においても、上記同様ジョセフソン電流流通部３３が固有ジョセフソン効果を発現することにより、超伝導量子干渉素子５０としての機能を発揮することができる。
【００４４】
さらに、図１０に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いてテラヘルツ検出器６０を構成してもよい。このテラヘルツ検出器６０は、シリコン基板６１と、該シリコン基板６１上に形成されたｒｆ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）チョークフィルタ６２と、シリコン基板６１上に形成されチョークフィルタ６２に接続される平面ボータイアンテナ６３と、シリコン基板６１上に形成され平面ボータイアンテナ６３に接続された固有ジョセフソン接合素子１とから構成されている。このテラヘルツ検出器６０によれば、固有ジョセフソン接合素子１のジョセフソン電流流通部３３において固有ジョセフソン効果が発現され、高いギャップ電圧によりテラヘルツ帯で動作可能となるため、テラヘルツ検出器６０としての機能を適切に発揮することができる。
【００４５】
また、図１１に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いてテラヘルツ発振器９０を構成してもよい。このテラヘルツ発振器９０は、ａｂ面に沿って同じ方向に延びる一対の超伝導バー構造９１，９２を備え、これら超伝導バー構造９１，９２をｃ軸方向に接続するようにしてジョセフソン電流流通部３３が配置された構成をなしている。このテラヘルツ発振器９０を使用する際には、固有ジョセフソン接合のａｂ面に平行な磁界Ｈを印加するとともに一方の超伝導バー構造９１から他方の超伝導バー構造９２に向かって外部電流Ｉを流通させる。これにより、ジョセフソン電流流通部３３において、磁束フロー電圧が発生して交流電流が流れる。磁界Ｈがゼロの場合にも、ＡＣジョセフソン効果によりジョセフソン磁束の運動が励起され、同様の効果を起こす。そして、外部電流Ｉを増加させると共鳴が起こり、外部に強い磁場が発振される。
【００４６】
また、図１２に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いて電圧標準装置７０を構成してもよい。この電圧標準装置７０は、基板７１上にボータイアンテナ７２、複数直列に接続した固有ジョセフソン接合素子１を配置した構成をなしている。このような電圧標準装置７０に安定した周波数の入力波を入力すると、シャピロステップ電圧が発生する。この際、固有ジョセフソン接合素子１の数に比例してゼロクロス出力電圧の最大値が増加する。これを利用することで、入力波数と同じ程度の安定な標準電圧を得ることができる。
【００４７】
さらに、図１３に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いてミリ波・サブミリ波受信機８０を構成してもよい。このミリ波・サブミリ波受信機８０は、基板８０ａ上に、ボータイアンテナ８１、ｒｆチョーク回路８２、電圧端子８４、電流端子８５、固有ジョセフソン接合素子１を配置した構成をなしている。これにより、基板８０ａの裏面側からミリ波・サブミリ波８３を照射すると、明確なシャロウステップを観測することができ、ミリ波・サブミリ波受信機８０として適切に機能させることができる。
【実施例】
【００４８】
（固有ジョセフソン接合素子の作製）
実施形態で説明した固有ジョセフソン接合素子１を作製して、その物性を評価した。
まず、高圧合成法により鉄ヒ素系超伝導体であるＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を取得した。高圧合成法では、原料としてＬｎＡｓ前駆体、Ｆｅ粉（フルウチ化学、９９．９％）、α−Ｆｅ２Ｏ３（レアメタリック、９９．９％）を用いた。また、均質な材料を得るために、Ｆｅ粉は目開き５３ミクロンのふるいを通った粉を使用した。そして、これら原料を、Ｐｒ：Ｆｅ：Ａｓ：Ｏ＝１：１：１：０．７となるように秤量した。次いで、上記原料を混合したものを、約２〜５．５ＧＰａの高圧力下、２５分で約１０５０〜１１５０℃まで加熱した。この温度を２時間維持した後に、ヒーターの加熱を切って、温度をクエンチした。これにより、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を含む焼結体を得た。
【００４９】
続いて、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７の焼結体を粉砕し、断裂面における結晶軸が揃った単結晶を１０〜１００μｍのサイズに切断して、加工対象となる単結晶４を入手した。そして、図５（ａ）に示すように、単結晶４をＳｒＴｉＯ３からなる基板４０上に設置し、図５（ｂ）に示すように、上方向からＦＩＢ加工を施してネッキングを行い、さらに、図５（ｃ）に示すように、ブリッジ部３０の側方からＦＩＢ加工を行うことにより、当該ブリッジ部３０をＳ字形状に形成し、固有ジョセフソン接合素子１を得た。
【００５０】
（異方性γρの取得）
まず、固有ジョセフソン接合素子１におけるａｂ平面の抵抗率ρａｂを測定した。具体的には、図５（ｂ）に示す段階、即ち、上方向からのＦＩＢ加工によるネッキングのみを施した状態において、四端子法を用いることで第一電極部１０及び第二電極部２０間の抵抗率ρａｂを各絶対温度Ｔについて測定した。測定結果を図１４（ａ）に示す。
続いて、固有ジョセフソン接合素子１におけるｃ軸方向の抵抗率ρｃを測定した。具体的には、固有ジョセフソン接合素子１におけるジョセフソン電流流通部３３の両端間における抵抗率を、四端子法を用いることで各絶対温度Ｔについて測定した。測定結果を図１４（ｂ）に示す。
そして、ρａｂに対するρｃの比として定められた抵抗率の異方性の値を、上記のように得られたρａｂ及びρｃの値から算出した、算出結果を図１４（ｃ）に示す。
この結果から、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７においては５５Ｋにおいて異方性の値が１２０と比較的大きな値を示し、電子状態の強い異方性の存在が証明された。
【００５１】
（Ｉ−Ｖ特性の測定）
固有ジョセフソン接合素子１を４．２Ｋに冷却した状態で、ジョセフソン電流流通部３３を流通するｃ軸方向の電流（ジョセフソン電流）Ｉｃと電圧Ｖの関係を測定した。測定結果を図１５に示す。
図１５から、Ｉ−Ｖ特定において強いヒステリシスが出現していることがわかる。これにより、鉄ヒ素系超伝導体のＰｒＦｅＡｓＯ０．７においても、従来の銅酸化物系超伝導体と同様の固有ジョセフソン効果が発現されることが証明された。
【符号の説明】
【００５２】
１ 固有ジョセフソン接合素子
２ 超伝導層
３ 絶縁層
４ 単結晶
１０ 第一電極部
２０ 第二電極部
３０ ブリッジ部
３１ 第一スリット
３２ 第二スリット
３３ ジョセフソン電流流通部
４０ 基板
５０ 超伝導量子干渉素子
５１ 超伝導リング構造
５３ 第一スリット
５４ 第二スリット
５５ 貫通孔
６０ テラヘルツ検出器
６１ シリコン基板
６２ ｒｆチョークフィルタ
６３ 平面ボータイアンテナ
７０ 電圧標準装置
７１ 基板
７２ ボータイアンテナ
８０ ミリ波・サブミリ波受信機
８０ａ 基板
８１ ボータイアンテナ
８２ ｒｆチョーク回路
８３ ミリ波・サブミリ波
８４ 電圧端子
８５ 電流端子
９０ テラヘルツ発振器
９１ 超伝導バー構造
９２ 超伝導バー構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄ヒ素系超伝導体を用いた固有ジョセフソン接合素子、及び、当該固有ジョセフソン接合素子を応用した機器、並びに、固有ジョセフソン接合素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対の超伝導体の間に薄い絶縁膜を挟んだ構造をなすジョセフソン接合素子が知られている。このジョセフソン接合素子は、弱く結合した２つの超伝導体の間に、超伝導電子対のトンネル効果によって超伝導電流が流れるといったジョセフソン効果を用いた素子である。
【０００３】
また、銅酸化物系超伝導体等の層状超伝導体においては、超伝導層と非超伝導層（絶縁層）が交互に積み重なった結晶構造をなしており、即ち、結晶構造の原子層単位での伝導性の違いにより、超伝導層同士が弱く結合したジョセフソン接合が結晶中に自然に形成された構造をなしている。
【０００４】
これを固有ジョセフソン接合といい、人工的に作製するジョセフソン接合と比較して界面における結晶欠陥が少ないため、絶縁層の性質がよく、高品質な接合構造を作製することができる。このような銅酸化物系超伝導体の固有ジョセフソン接合に関する技術としては、例えば特許文献１、２に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９１６５４号公報
【特許文献２】特開２００７−８１２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、鉄を含む新たな種類の高温超伝導体である鉄ヒ素系超伝導体が発見され、銅酸化物系超伝導体以外の物質では最高記録となる臨界温度を達成し、世界の注目を集めている。
【０００７】
ここで、上記鉄ヒ素系超伝導体を用いたジョセフソン接合としては、異なる超伝導体を人工的に積層して、両側の超伝導体を別物質とした接合構造の作製報告がなされている。しかしながら、一物質の鉄ヒ素系超伝導体によるジョセフソン接合の作製は未だなされておらず、当該鉄ヒ素系超伝導体においても銅酸化物系超伝導体のように固有ジョセフソン効果が発現されるか否かは不明であった。
【０００８】
また、鉄ヒ素系超伝導体は、銅酸化物系超伝導体とは異なる結晶構造を有し、従前発見されたいかなる超伝導体とも異なる電気伝導性質を有している（ペアポテンシャルがｓ±波）ため、固有ジョセフソン効果を発現するか否か予測することもできなかった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、固有ジョセフソン効果を発現する鉄ヒ素系超伝導体からなる固有ジョセフソン接合素子、及び、当該固有ジョセフソン素子を用いた量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機、並びに、固有ジョセフソン接合素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ここで、本発明の発明者らが鋭意研究を重ねたところ、鉄ヒ素系超伝導体においても銅酸化物系超伝導体と同様に固有ジョセフソン効果を発現することが証明された。
本発明の固有ジョセフソン接合素子はこのような知見に基づいてなされたものであって、超伝導層と絶縁層とがｃ軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の固有ジョセフソン接合素子は、前記ｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った任意の方向であるｘ軸方向に離間して配置される第一電極部及び第二電極部と、これら第一電極部と第二電極部とを接続するブリッジ部とを備え、該ブリッジ部は、前記ｃ軸方向一方側から凹むとともに前記ｘ軸方向及び前記ｃ軸方向の双方に直交するｙ軸方向にわたって延びる第一スリットと、前記ｃ軸方向他方側から凹むとともに前記ｙ軸方向にわたって延びる第二スリットと、これら第一スリットと第二スリットとによって前記ｘ軸方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部とを備えていることを特徴とする。
これにより、ジョセフソン電流流通部においてｃ軸方向に超伝導電流が流通する固有ジョセフソン効果を発現させることができる。
【００１２】
さらに、本発明の固有ジョセフソン接合素子においては、前記鉄ヒ素系超伝導体が、Ｌｎ（希土金属）、Ｆｅ、Ａｓ、Ｏ、の元素を含む１１１１系の化合物であることが好ましい。また、上記元素に加えてＦを含む１１１１系の化合物であってもよい。
【００１３】
また、本発明の固有ジョセフソン接合素子においては、前記鉄ヒ素系超伝導体が、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７であることがより好ましい。
【００１４】
本発明に係る量子ビットは、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る超伝導量子干渉素子は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ検出器は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るテラヘルツ発振器は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る電圧標準装置は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るミリ波・サブミリ波受信機は、上記いずれかの固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る固有ジョセフソン接合素子の製造方法は、超伝導層と絶縁層とからなる積層状結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶を、基板上に固定するステップと、前記単結晶に対して、前記超伝導層及び前記絶縁層の積層方向であるｃ軸方向に直交するｙ方向から集束イオンビーム加工を施すステップとを備えることを特徴とする。
さらに、前記単結晶に対して、前記ｃ軸方向から集束イオンビーム加工を施すステップをさらに備えていてもよい。
これにより、上記固有ジョセフソン接合素子を容易かつ確実に作製することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の固有ジョセフソン接合素子及び固有ジョセフソン接合素子の製造方法によれば、鉄ヒ素系超伝導体において固有ジョセフソン効果を発現させることができる。
また、この固有ジョセフソン接合素子を応用することによって、適切に機能する量子ビット、超伝導量子干渉素子、テラヘルツ検出器、テラヘルツ発振器、電圧標準装置、ミリ波・サブミリ波受信機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子の斜視図である。
【図２】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子の（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。
【図３】鉄ヒ素系超伝導体であるＰｒＦｅＡｓＯ１−ｙの構成を示す図である。
【図４】ジョセフソン電流流通部を模式的に表した斜視図である。
【図５】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子の製造方法を説明する図である。
【図６】（ａ）はブリッジ部がｙ軸方向片側に配置された構成の固有ジョセフソン接合素子の平面図、（ｂ）ブリッジ部の幅が第一電極部及び第二電極部と同様の寸法となした構成の固有ジョセフソン接合素子の平面図である。
【図７】基板の上面にｃ軸方向を沿わせるようにした固有ジョセフソン接合素子の斜視図である。
【図８】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いた超伝導量子干渉素子の模式図である。
【図９】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いた超伝導量子干渉素子の他の形態の模式図である。
【図１０】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いたテラヘルツ検出器の模式図である。
【図１１】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いたテラヘルツ発振器の模式図である。
【図１２】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いた電圧標準装置の模式図である。
【図１３】実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子を用いたミリ波・サブミリ波受信機の模式図である。
【図１４】（ａ）はａｂ平面の抵抗率ρａｂの温度依存性を示すグラフ、（ｂ）はｃ軸方向の抵抗率ρｃの温度依存性を示すグラフ、（ｃ）は異方性の値γρの温度依存性を示すグラフである。
【図１５】固有ジョセフソン接合素子におけるｃ軸方向のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係る固有ジョセフソン接合素子について、図面を参照して詳細に説明する。
固有ジョセフソン接合素子１は、図１及び図２に示すように、鉄ヒ素系超伝導体の単結晶に加工を施すことにより得られるものであって、第一電極部１０と第二電極部２０とがブリッジ部３０で接続された構成をなしている。
【００２４】
この固有ジョセフソン接合素子１を構成する鉄ヒ素系超伝導体としては、図３に示すＬｎ（ランタノイド）、Ｆｅ（鉄）、Ａｓ（ヒ素）、Ｏ（酸素）の元素を含む１１１１系のＰｒＦｅＡｓＯ１−xを採用した。このＰｒＦｅＡｓＯ１−xは、いわゆる酸素欠損型の鉄ヒ素系超伝導体であり、組成式におけるｘの値は適宜設定することが可能である。具体的には、本実施形態においては、ｘの値を０．３としたＰｒＦｅＡｓＯ０．７を用いた例について説明する。
【００２５】
このＰｒＦｅＡｓＯ０．７は、超伝導層２としてのＦｅＡｓ層と、絶縁層３としてのＰｒＯ層がｃ軸方向に交互に積層された構造をなしている。したがって、当該ＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶からなる固有ジョセフソン接合素子１においても、その全域において超伝導層２と絶縁層３とによる積層構造をなしており、これら超伝導層２と絶縁層３との積層方向、即ち、ｃ軸方向が上下方向に一致するように配置される。
【００２６】
第一電極部１０及び第二電極部２０は、ｃ軸方向の寸法が等しい略直方体形状のブロック体構造をなしており、ｃ軸方向に直交する方向、即ち、ａｂ面に沿った任意の方向（以下、ｘ方向と称する）に離間して配置されている。これら第一電極部１０及び第二電極部２０のｃ軸方向の寸法は例えば１０μｍ以下に設定されている。
【００２７】
これら第一電極部１０及び第二電極部２０の互いに対向する面同士は、これら第一電極部１０及び第二電極部２０とｃ軸方向の寸法が等しいブリッジ部３０によって接続されている。これによって、第一電極部１０及び第二電極部２０に直流電流あるいは交流電流を流通させた際には、当該電流がブリッジ部３０を通過することになる。
【００２８】
このブリッジ部３０は、ｃ軸方向及びｘ軸方向の双方に直交する方向、即ち、ｘ軸方向に直交するａｂ面に沿った方向（以下、ｙ軸方向と称する）の寸法が第一電極部１０及び第二電極部２０よりも小さく設定されており、例えば２〜３μｍ程度に設定されている。ブリッジ部３０の表面（ｃ軸方向一方側の面）における第一電極部１０寄りの箇所には、該ブリッジ部３０の表面から凹むとともにブリッジ部３０のｙ軸方向全域にわたって延びる第一スリット３１が形成されている。また、ブリッジ部３０の裏面（ｃ軸方向他方側の面）における第二電極部２０寄りの箇所には、該ブリッジ部３０の裏面から凹むとともにブリッジ部３０のｙ軸方向全域にわたって延びる第二スリット３２が形成されている。
【００２９】
これら第一スリット３１及び第二スリット３２の深さ寸法は、少なくともブリッジ部３０のｃ軸方向の寸法の半分を超える値とされている。これによって、ブリッジ部３０には、第一スリット３１と第二スリット３２とによってｘ軸方向両側から挟まれた部分であるジョセフソン電流流通部３３が形成されている。
【００３０】
図４にジョセフソン電流流通部３３の模式斜視図を示す。このジョセフソン電流流通部３３のｘ軸方向の寸法は例えば１〜２μｍと非常に狭小に形成されており、さらに、上述したようにｙ軸方向の寸法も２〜３μｍと狭小とされている。したがって、このジョセフソン電流流通部３３においては、電流が流通する方向が超伝導層２と絶縁層３とが交互に積層されたｃ軸方向に限定される。
【００３１】
次に、このような構成をなす固有ジョセフソン接合素子１の製造方法について説明する。
まず、鉄ヒ素系超伝導体であるＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を、例えば高圧合成法によって取得する。この高圧合成法においては、原料としてＬｎＡｓ前駆体、Ｆｅ粉、α−Ｆｅ２Ｏ３を用い、これら原料を混合して高圧高温化に曝すことによって、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７を合成する。
【００３２】
次いで、このように得たＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を１０μｍ〜１００μｍ程度のペレット状に切断し、図５（ａ）に示すように、例えばＳｒＴｉＯ３、ガラス、Ｓｉ基板等からなる基板４０上に単結晶４として設置する。本実施形態においては、例えば単結晶４におけるｃ軸方向、即ち、超伝導層２と絶縁層３との積層方向が、基板４０の上面に垂直な方向に一致するように設置する。
【００３３】
その後、図５（ｂ）に示すように、単結晶４におけるｘ軸方向中央部分に対して、上方向から、即ち、ｃ軸方向からＧａ（ガリウム）イオンビーム４１によるＦＩＢ加工（集束イオンビーム加工）を施すことによるネッキングを行う。これにより、単結晶４におけるｘ軸方向中央部分のｙ軸方向両側の部分が剥ぎ取られ、第一電極部１０及び第二電極部２０とがブリッジ部３０によって接続された構成が形成される。
【００３４】
次いで、図５（ｃ）に示すように、ブリッジ部３０の側方から、即ち、ｙ軸方向からＧａ（ガリウム）イオンビーム４２によるＦＩＢ加工を行うことにより、第一スリット３１及び第二スリット３２を形成する。これによって、ブリッジ部３０は全体としてＳ字形状をなし、そのｘ軸方向中央部分にはｃ軸方向に延びるジョセフソン電流流通部３３が形成され本実施形態の固有ジョセフソン接合素子１が得られる。
【００３５】
このような固有ジョセフソン接合素子１によれば、臨界温度Ｔｃ以下に冷却した後、第一電極部１０及び第二電極部２０に直流電流あるいは交流電流を流通させると、ジョセフソン電流流通部３３においてジョセフソン効果が発現されることにより、当該ジョセフソン電流流通部３３をｃ軸方向に沿って超伝導電流（ジョセフソン電流）が流通する。即ち、鉄ヒ素系超伝導体による固有ジョセフソン効果を実現することができる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、Ｌｎ、Ｆｅ、Ａｓ、Ｏの元素を含む１１１１系の鉄ヒ素系超伝導体として酸素欠損型のＰｒＦｅＡｓＯ１−ｘを用いた例について説明したが、Ｐｒを他の種類のＬｎに置換した鉄ヒ素系超伝導体、例えば、ＬａＦｅＡｓＯ等や、フッ素置換型のＳｍＦｅＡｓＯ０．９Ｆ０．１等を採用してもよい。この場合も、実施形態と同様に固有ジョセフソン効果を発現することができる。
【００３７】
また、１１１１系の鉄ヒ素系超伝導体のみならず、ＳｒＦｅ２Ａｓ２等の１２２系、Ｌｉ１−ｘＦｅＡｓ等の１１１系、ＦｅＳｅ等の１１系、あるいはペロブスカイト型層間物質を有する（Ｆｅ２Ａｓ２）（Ｓｒ４Ｖ２Ｏ６）等の鉄ヒ素系超伝導体を用いて固有ジョセフソン接合素子１を構成してもよい。なお、ＡｓがＰに置き換わった材料系も同様の超伝導特性を有しているため、この材料系を用いて固有ジョセフソン接合素子１を構成しても良い。これらの場合も実施形態と同様に固有ジョセフソン効果を発現することが見込まれる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施形態においては、図５（ｂ）において、ＦＩＢ加工を施すことによりｘ軸方向中央部分のｙ軸方向両側の部分が剥ぎ取るネッキングを行ったが、当該ＦＩＢ加工はｘ軸方向中央部分のｙ軸方向片側のみに施してもよい。この場合、固有ジョセフソン接合素子１は、例えば図６（ａ）に示すように、ブリッジ部３０がｙ軸方向片側に配置された構成となる。
【００３９】
また、単結晶４におけるｙ軸方向の寸法が十分狭小な場合は、ＦＩＢ加工によるネッキングを施さなくてもよく、この場合、固有ジョセフソン接合素子１は、図６（ｂ）に示すように、ブリッジ部３０の幅が第一電極部１０及び第二電極部２０と同様の寸法となした構造となる。
【００４０】
さらに、実施形態においては、基板４０上に単結晶４として設置する際に単結晶４におけるｃ軸方向を基板４０の上面に垂直な方向に一致するように設置したが、これに限定されることはなく、基板４０の上面にｃ軸方向を沿わせるようにして単結晶４を設置してもよい。この場合、ａｂ面は基板４０の上面に垂直な面とされ、当該基板４０の上面に垂直な方向（ｙ軸方向）からＧａ（ガリウム）イオンビームによるＦＩＢ加工が施される。これにより、図７に示すように、ｘ方向に離間する第一電極部１０と第二電極部２０がブリッジ部３０によって接続された固有ジョセフソン素子１が形成され、ブリッジ部３０における第一スリット３１と第二スリット３２との間のジョセフソン電流流通部３３において固有ジョセフソン効果を発現させることができる。
【００４１】
また、例えば、実施形態の固有ジョセフソン接合素子１を用いて量子ビットを構成してもよい。これにより、量子計算機の実現に寄与することができる。
【００４２】
さらに、図８に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いて超伝導量子干渉素子５０を構成してもよい。この超伝導量子干渉素子５０は、一対の固有ジョセフソン接合素子１を備えており、これら固有ジョセフソン接合素子１の第一電極部１０、第二電極部２０同士がそれぞれ一体に接続されることで、鉄ヒ素系超伝導体系からなる超伝導リング構造５１をなしている。そして、固有ジョセフソン接合素子１におけるジョセフソン電流流通部３３が固有ジョセフソン効果を発現することにより、超伝導量子干渉素子５０としての機能を発揮することができる。
【００４３】
また、超伝導量子干渉素子５０としては、例えば図９に示すような構成であってもよい。この超伝導量子干渉素子５０においては、ｃ軸方向の各面にｘ軸方向に離間して配置された第一スリット５３及び第二スリット５４が形成されている。そして、第一スリット５３と第二スリット５４とによってｘ方向から挟まれた部分の中央には、ｙ方向に貫通する貫通孔５５が形成されており、当該貫通孔５５の周囲が一対のジョセフソン電流流通部３３を備えた超伝導リング構造５１とされている。このような構造の超伝導量子干渉素子５０においても、上記同様ジョセフソン電流流通部３３が固有ジョセフソン効果を発現することにより、超伝導量子干渉素子５０としての機能を発揮することができる。
【００４４】
さらに、図１０に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いてテラヘルツ検出器６０を構成してもよい。このテラヘルツ検出器６０は、シリコン基板６１と、該シリコン基板６１上に形成されたｒｆ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）チョークフィルタ６２と、シリコン基板６１上に形成されチョークフィルタ６２に接続される平面ボータイアンテナ６３と、シリコン基板６１上に形成され平面ボータイアンテナ６３に接続された固有ジョセフソン接合素子１とから構成されている。このテラヘルツ検出器６０によれば、固有ジョセフソン接合素子１のジョセフソン電流流通部３３において固有ジョセフソン効果が発現され、高いギャップ電圧によりテラヘルツ帯で動作可能となるため、テラヘルツ検出器６０としての機能を適切に発揮することができる。
【００４５】
また、図１１に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いてテラヘルツ発振器９０を構成してもよい。このテラヘルツ発振器９０は、ａｂ面に沿って同じ方向に延びる一対の超伝導バー構造９１，９２を備え、これら超伝導バー構造９１，９２をｃ軸方向に接続するようにしてジョセフソン電流流通部３３が配置された構成をなしている。このテラヘルツ発振器９０を使用する際には、固有ジョセフソン接合のａｂ面に平行な磁界Ｈを印加するとともに一方の超伝導バー構造９１から他方の超伝導バー構造９２に向かって外部電流Ｉを流通させる。これにより、ジョセフソン電流流通部３３において、磁束フロー電圧が発生して交流電流が流れる。磁界Ｈがゼロの場合にも、ＡＣジョセフソン効果によりジョセフソン磁束の運動が励起され、同様の効果を起こす。そして、外部電流Ｉを増加させると共鳴が起こり、外部に強い磁場が発振される。
【００４６】
また、図１２に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いて電圧標準装置７０を構成してもよい。この電圧標準装置７０は、基板７１上にボータイアンテナ７２、複数直列に接続した固有ジョセフソン接合素子１を配置した構成をなしている。このような電圧標準装置７０に安定した周波数の入力波を入力すると、シャピロステップ電圧が発生する。この際、固有ジョセフソン接合素子１の数に比例してゼロクロス出力電圧の最大値が増加する。これを利用することで、入力波数と同じ程度の安定な標準電圧を得ることができる。
【００４７】
さらに、図１３に示すように、固有ジョセフソン接合素子１を用いてミリ波・サブミリ波受信機８０を構成してもよい。このミリ波・サブミリ波受信機８０は、基板８０ａ上に、ボータイアンテナ８１、ｒｆチョーク回路８２、電圧端子８４、電流端子８５、固有ジョセフソン接合素子１を配置した構成をなしている。これにより、基板８０ａの裏面側からミリ波・サブミリ波８３を照射すると、明確なシャロウステップを観測することができ、ミリ波・サブミリ波受信機８０として適切に機能させることができる。
【実施例】
【００４８】
（固有ジョセフソン接合素子の作製）
実施形態で説明した固有ジョセフソン接合素子１を作製して、その物性を評価した。
まず、高圧合成法により鉄ヒ素系超伝導体であるＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を取得した。高圧合成法では、原料としてＬｎＡｓ前駆体、Ｆｅ粉（フルウチ化学、９９．９％）、α−Ｆｅ２Ｏ３（レアメタリック、９９．９％）を用いた。また、均質な材料を得るために、Ｆｅ粉は目開き５３ミクロンのふるいを通った粉を使用した。そして、これら原料を、Ｐｒ：Ｆｅ：Ａｓ：Ｏ＝１：１：１：０．７となるように秤量した。次いで、上記原料を混合したものを、約２〜５．５ＧＰａの高圧力下、２５分で約１０５０〜１１５０℃まで加熱した。この温度を２時間維持した後に、ヒーターの加熱を切って、温度をクエンチした。これにより、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７の単結晶を含む焼結体を得た。
【００４９】
続いて、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７の焼結体を粉砕し、断裂面における結晶軸が揃った単結晶を１０〜１００μｍのサイズに切断して、加工対象となる単結晶４を入手した。そして、図５（ａ）に示すように、単結晶４をＳｒＴｉＯ３からなる基板４０上に設置し、図５（ｂ）に示すように、上方向からＦＩＢ加工を施してネッキングを行い、さらに、図５（ｃ）に示すように、ブリッジ部３０の側方からＦＩＢ加工を行うことにより、当該ブリッジ部３０をＳ字形状に形成し、固有ジョセフソン接合素子１を得た。
【００５０】
（異方性γρの取得）
まず、固有ジョセフソン接合素子１におけるａｂ平面の抵抗率ρａｂを測定した。具体的には、図５（ｂ）に示す段階、即ち、上方向からのＦＩＢ加工によるネッキングのみを施した状態において、四端子法を用いることで第一電極部１０及び第二電極部２０間の抵抗率ρａｂを各絶対温度Ｔについて測定した。測定結果を図１４（ａ）に示す。
続いて、固有ジョセフソン接合素子１におけるｃ軸方向の抵抗率ρｃを測定した。具体的には、固有ジョセフソン接合素子１におけるジョセフソン電流流通部３３の両端間における抵抗率を、四端子法を用いることで各絶対温度Ｔについて測定した。測定結果を図１４（ｂ）に示す。
そして、ρａｂに対するρｃの比として定められた抵抗率の異方性の値を、上記のように得られたρａｂ及びρｃの値から算出した、算出結果を図１４（ｃ）に示す。
この結果から、ＰｒＦｅＡｓＯ０．７においては５５Ｋにおいて異方性の値が１２０と比較的大きな値を示し、電子状態の強い異方性の存在が証明された。
【００５１】
（Ｉ−Ｖ特性の測定）
固有ジョセフソン接合素子１を４．２Ｋに冷却した状態で、ジョセフソン電流流通部３３を流通するｃ軸方向の電流（ジョセフソン電流）Ｉｃと電圧Ｖの関係を測定した。測定結果を図１５に示す。
図１５から、Ｉ−Ｖ特定において強いヒステリシスが出現していることがわかる。これにより、鉄ヒ素系超伝導体のＰｒＦｅＡｓＯ０．７においても、従来の銅酸化物系超伝導体と同様の固有ジョセフソン効果が発現されることが証明された。
【符号の説明】
【００５２】
１ 固有ジョセフソン接合素子
２ 超伝導層
３ 絶縁層
４ 単結晶
１０ 第一電極部
２０ 第二電極部
３０ ブリッジ部
３１ 第一スリット
３２ 第二スリット
３３ ジョセフソン電流流通部
４０ 基板
５０ 超伝導量子干渉素子
５１ 超伝導リング構造
５３ 第一スリット
５４ 第二スリット
５５ 貫通孔
６０ テラヘルツ検出器
６１ シリコン基板
６２ ｒｆチョークフィルタ
６３ 平面ボータイアンテナ
７０ 電圧標準装置
７１ 基板
７２ ボータイアンテナ
８０ ミリ波・サブミリ波受信機
８０ａ 基板
８１ ボータイアンテナ
８２ ｒｆチョーク回路
８３ ミリ波・サブミリ波
８４ 電圧端子
８５ 電流端子
９０ テラヘルツ発振器
９１ 超伝導バー構造
９２ 超伝導バー構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導層及び絶縁層がｃ軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなることを特徴とする固有ジョセフソン接合素子。
【請求項２】
前記ｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った任意の方向であるｘ軸方向に離間して配置される第一電極部及び第二電極部と、これら第一電極部と第二電極部とを接続するブリッジ部とを備え、
該ブリッジ部は、
前記ｃ軸方向一方側から凹むとともに前記ｘ軸方向及び前記ｃ軸方向の双方に直交するｙ軸方向にわたって延びる第一スリットと、
前記ｃ軸方向他方側から凹むとともに前記ｙ軸方向にわたって延びる第二スリットと、
これら第一スリットと第二スリットとによって前記ｘ軸方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の固有ジョセフソン接合素子。
【請求項３】
前記鉄ヒ素系超伝導体が、Ｌｎ、Ｆｅ、Ａｓ、Ｏの元素を含む１１１１系の化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固有ジョセフソン接合素子。
【請求項４】
前記鉄ヒ素系超伝導体が、ＰｒＦｅＡｓＯ１−ｘを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする量子ビット。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする超伝導量子干渉素子。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とするテラヘルツ検出器。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とするテラヘルツ発振器。
【請求項９】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする電圧標準装置。
【請求項１０】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有するミリ波・サブミリ波受信機。
【請求項１１】
超伝導層と絶縁層とからなる積層状結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶を、基板上に固定するステップと、
前記単結晶に対して、前記超伝導層及び前記絶縁層の積層方向であるｃ軸方向に直交するｙ方向から集束イオンビーム加工を施すステップとを備えることを特徴とする固有ジョセフソン接合素子の製造方法。
【請求項１２】
前記単結晶に対して、前記ｃ軸方向から集束イオンビーム加工を施すステップをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の固有ジョセフソン接合素子の製造方法。
【請求項１】
超伝導層及び絶縁層がｃ軸方向に積層された結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶からなることを特徴とする固有ジョセフソン接合素子。
【請求項２】
前記ｃ軸方向に直交するａｂ面に沿った任意の方向であるｘ軸方向に離間して配置される第一電極部及び第二電極部と、これら第一電極部と第二電極部とを接続するブリッジ部とを備え、
該ブリッジ部は、
前記ｃ軸方向一方側から凹むとともに前記ｘ軸方向及び前記ｃ軸方向の双方に直交するｙ軸方向にわたって延びる第一スリットと、
前記ｃ軸方向他方側から凹むとともに前記ｙ軸方向にわたって延びる第二スリットと、
これら第一スリットと第二スリットとによって前記ｘ軸方向両側から挟まれたジョセフソン電流流通部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の固有ジョセフソン接合素子。
【請求項３】
前記鉄ヒ素系超伝導体が、Ｌｎ、Ｆｅ、Ａｓ、Ｏの元素を含む１１１１系の化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固有ジョセフソン接合素子。
【請求項４】
前記鉄ヒ素系超伝導体が、ＰｒＦｅＡｓＯ１−ｘを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする量子ビット。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする超伝導量子干渉素子。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とするテラヘルツ検出器。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とするテラヘルツ発振器。
【請求項９】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有することを特徴とする電圧標準装置。
【請求項１０】
請求項１から４のいずれか一項に記載の固有ジョセフソン接合素子を有するミリ波・サブミリ波受信機。
【請求項１１】
超伝導層と絶縁層とからなる積層状結晶構造を有する鉄ヒ素系超伝導体の単結晶を、基板上に固定するステップと、
前記単結晶に対して、前記超伝導層及び前記絶縁層の積層方向であるｃ軸方向に直交するｙ方向から集束イオンビーム加工を施すステップとを備えることを特徴とする固有ジョセフソン接合素子の製造方法。
【請求項１２】
前記単結晶に対して、前記ｃ軸方向から集束イオンビーム加工を施すステップをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の固有ジョセフソン接合素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２３３８２５（Ｐ２０１１−２３３８２５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０５２２８（Ｐ２０１０−１０５２２８）
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔１〕 発行者名 ＩＳＴＥＣ 刊行物名 「ＰＲＯＧＲＡＭ ＆ ＡＢＳＴＲＡＣＴＳ ２２ｎｄ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ＯＮ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ」 発行日 平成２１年１１月２日 〔２〕 掲載アドレス ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／０９１２．０５９８／ ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ＰＳ＿ｃａｃｈｅ／ａｒｘｉｖ／ｐｄｆ／０９１２／０９１２．０５９８ｖ１．ｐｄｆ 掲載日 ２００９年１２月３日
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔１〕 発行者名 ＩＳＴＥＣ 刊行物名 「ＰＲＯＧＲＡＭ ＆ ＡＢＳＴＲＡＣＴＳ ２２ｎｄ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ＯＮ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ」 発行日 平成２１年１１月２日 〔２〕 掲載アドレス ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／０９１２．０５９８／ ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ＰＳ＿ｃａｃｈｅ／ａｒｘｉｖ／ｐｄｆ／０９１２／０９１２．０５９８ｖ１．ｐｄｆ 掲載日 ２００９年１２月３日
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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