超伝導スイッチング素子
【課題】誘電体障壁を用いない超伝導スイッチング素子を提案する。
【解決手段】超伝導層ごとのスピン交換相関作用が最大となるように、超伝導層と常伝導層の厚みを最適化することによって、常伝導層が、あたかも、絶縁体を配置したように働く。その状態では、半導体超格子と同様にＢｌｏｃｈ共鳴が発生し、Ｇａｔｅ層の電子状態を変調すること、または、外部環境からのＳｉｎｇｌｅ−ｅｖｅｎｔｓを導入することにより、スイッチ動作を可能にする。
【解決手段】超伝導層ごとのスピン交換相関作用が最大となるように、超伝導層と常伝導層の厚みを最適化することによって、常伝導層が、あたかも、絶縁体を配置したように働く。その状態では、半導体超格子と同様にＢｌｏｃｈ共鳴が発生し、Ｇａｔｅ層の電子状態を変調すること、または、外部環境からのＳｉｎｇｌｅ−ｅｖｅｎｔｓを導入することにより、スイッチ動作を可能にする。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子を用いたスイッチング素子に属する。
【発明の背景】
【０００２】
Ｗ．Ｂ．Ｓｈｏｃｋｌｅｙ、Ｊ．Ｂａｒｄｅｅｎ、Ｗ．Ｈ．Ｂｒａｔｔａｉｎらが、１９４８年にトランジスタ効果を発見して以来、コンピューターに用いられる半導体素子は、世界を変貌させる概念を数々創り出してきた。データを処理する速度は、概念の変化の流れに合わせ、最高速であることを要求されてきた。電子デバイス分野においても、この「流れ」に追従するために、構成素子は、「縮小則」に基づき集積されてきた。「縮小則」とは、集積回路の基本要素である、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）を含む回路全体の、抵抗値と静電容量の積を小さくすることによって、高速のスイッチングを可能にするという概念である。しかし、私たちは、現代社会の要請をこの「縮小則」によって乗り越えることができないことに気付き始めている。なぜなら、ＦＥＴのスイッチング動作は、ＦＥＴのゲート近傍のキャリアをバイアス電圧によって制御することによって行っているため、キャリアの移動度に依存してしまうのである。最近、Ｙ．Ｎｉｓｈｉは、２０１０年までの長期的な中央演算装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ；ＣＰＵ）の動作周波数上昇の見通しを立てた１。それによると、２０１０年においても、動作周波数は、１．１ｘ１０９Ｈｚまでであることが予言されている。つまり、ＣＰＵの情報処理能力は、高々数倍になるだけである。このことは、巨大なソフトウェアによって処理される莫大な量の情報処理量が、キャリアの移動度に依存していることを意味する。
一方、Ｂ．Ｄ．Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎによって提唱された超伝導素子は、高速で動作し、低消費電力であることが知られている２。しかし、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ素子は、７ｘ１０８Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、カオス的な信号のゆらぎによる雑音が支配的となるため、高周波数領域での実用には、供されていない。その上、トンネル障壁が存在することによる透過率の減少、信号の遅延、および、熱
Ｊ．Ｇ．Ｂｅｄｎｏｒｚらによって発見された酸化物超伝導体３は、高速で動作する素子への応用が期待されていたが、未だにスイッチング素子として実用化されていない。数多くの試行にもかかわらず実用化されなかったのは、酸化物超伝導体自らが有する特性のためであった。この申請書では、金属超伝導体超格子を用いることによって、実用化へ向けての問題をすべて解決できることを示す。
酸化物超電導体がＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子として実用化されなかった理由は２つある。第一に、結晶粒界などの整合性の低い界面が存在することによって、波動関数の位相が揺らいでしまうことがあげられる。第二に、このような整合性の低い界面では、波動関数の透過率が非常に小さいため集積化の際に信号が極度に減衰してしまう。
酸化物超伝導体の可干渉距離は、超伝導層転移温度（Ｔｃ）を上昇させるために極度に短く（〜０．１ｎｍ）設計されている４。しかし、そのためには、可干渉領域を誘電率の高いイオン性結晶で仕切らなくてはならない。その結果、結晶自身の誘電率が上昇し、伝導層の層間での波動関数の遅れが避けられない（ＦＩＧ．１Ａ）。また、整合性の低い界面では、この遅れが均一でなくなってしまう（ＦＩＧ．１Ｂ）。このような不均一性から素子の動的インピーダンスが上昇してしまい５，６、透過率が下がってしまう。すなわち、酸化物超伝導体の問題も、誘電率の存在に帰結できる。
超伝導現象の特性は、クーパーペアの波動関数の可干渉性で描写され、その可干渉性はスピン交換相関によって実現される。このことは、スピン交換相関が制御できれば電子の流れを操作することができることを意味している。そこで、スピン交換相関を人為的に制御している例として巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＧＭＲ）の発現機構を考察してみることとする。巨大磁気抵抗効果は、メゾスコピックな構造を有する金属系で発現することが報告されているが、外部磁気を印加することによって、電気抵抗が５０％も上昇するというものである７。巨大磁気抵抗効果は、スピンまで記述された波動関数が隣り合う層の間で異なるとき、近藤効果８によって遍歴電子の遷移が制限されるために起こる。巨大磁気抵抗効果を示す系における、メゾスコピックな磁気秩序に関する報告９があるが、それによると、超格子周期の２倍の磁気秩序が存在することが中性子回折によって確認されている。
ここで強調しておきたいことは、メゾスコピックな磁区構造が、超格子の周期を制御することによって発現することである。このことは、スピン交換相関という立場で、強く相関する超伝導層の積層周期を変化させることによって、誘電体を配置することなく、遍歴電子の遷移を制御していることを意味している。この示唆によって、誘電体を用いずにスイッチ動作する超格子を作成できるのである。
【発明の概要】
【０００３】
ここに提示された発明の目的は、超電導体を誘電体障壁で仕切らないで用いることである。また、ここに提示された発明の、もうひとつの目的は、高速度で動作するスイッチング素子を提供することである。これらの目標を達成するために、超伝導体／常伝導金属／超伝導体超格子構造を有する超伝導スイッチング素子が発明された。
【具体化のための詳しい説明】
【０００４】
超伝導金属−常伝導金属−超伝導金属（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ−Ｎｏｒｍａｌ ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ；Ｓ−Ｎ−Ｓ）超格子においては、次元クロスオーバー現
る次元クロスオーバー現象の調査に関して先駆的な役割を演じている１０。その報告によると、Ｎｂ／Ｃｕ系超格子の可干渉距離が、メゾスコピックな系でのみ異方性を有し、超格子周期を最適化することによって、超伝導層間での相関が極大化する。申請者は、かねてより、この層間の相関を利用して、スピンまで記述した波動関数を仕切ることを提案してきた。
最近、申請者らは、メゾスコピックな超格子周期を有するＮｂ／Ｃｕ超格子において、超伝導層ごとの反強磁性磁気秩序が存在することを報告した１１。Ｎｂ、Ｃｕ、各層の層厚を１６．８ｎｍ、１４．７ｎｍに固定したＮｂ／Ｃｕ系の超伝導超格子の電気抵抗を測定したところ、抵抗異常が再現性よく観察された。この抵抗異常が、層間の相関が極大になったときのみに出現することを考えると、メゾスコピックなスケールで、電子バンドの反強磁性的磁気秩序が実現されていること、また、抵抗異常が近藤効果による遍歴電子の挙動であることを導いた（ＦＩＧ．２）。もし、超伝導の系において反強磁性的磁気秩序が形成されているとすると、超伝導現象とＧＭＲのアナロジーが結論付けられる。前述したとおり、ＧＭＲを示す系においては、電子の流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができる。それゆえ、Ｓ−Ｎ−Ｓ接合においてもＣｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓの流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができると考えられる。
ＦＩＧ．３に４端子スイッチング素子の概要を図解したものを示す。層間での電子の遷移は、スピンの記述まで含めた波動関数が一致したときのみ支配的となり、となりの層への遷移は、反強磁性的的なスピン配列のために制限されることになる（ＦＩＧ．３Ａ）。この哲学に基づき、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層を有した４端子素子が、申請者によって提案されてきた（ＦＩＧ．３Ｂ）。スイッチング動作の動作原理は、Ｂｌｏｃｈ共鳴の変調１２，１３と、Ｂｌｏｃｈ共鳴における電子輸送の非線形性による。ＦＩＧ．４に描写したとおり、超伝導層における異なったスピンを有する占有軌道は、半導体超格子と同様に、常伝導層によって仕切られている。超格子内部のＣｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓは、共鳴状態にあり、その共鳴状態は、Ｇａｔｅの操作や外部から導入されるＳｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓによって変調を受ける。Ｂｌｏｃｈ共鳴が変調される結果、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ間の電圧は、超格子の非線形輸送によって多値化される１４。その現象は、半導体超格子と同一のものであるが、超格子におけるトンネル障壁の取り扱いが異なる。
Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子の場合、遍歴電子は、常伝導金属中を伝搬する。しかし、ある超伝導層から、となりの超伝導層への低温での遷移は、近藤効果によって制限される。遍歴電子による電気抵抗の値（ρ↑）は、次の式によって決定される８。
電気抵抗の値は、温度と常伝導金属のフェルミ準位における電子密度（ＮＰａｒａ（ＥＦ））の関数となる。その結果、１００Ｋ以下での遍歴電子の遷移確率は、著しく低下し、挿入されている常磁性金属は、絶縁体障壁と同様の働きをする。この働きは、半導体超格子のバンドギャップとも同様である。この「トンネル障壁効果」は、スピン交換相関の強い層の電子と、その間に挿入された常磁性金属中の電子の角運動量量子数が異なる場合に起こる現象として認知されている１５。結論として、この素子は、Ｂｌｏｃｈ共鳴によって超伝導電流が維持されている間、動作が可能である。それゆえ、動作は、典型的なＲＣ−ＴｙｐｅのＪｏｓｅｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎの場合に問題になるＧａｐ Ｅｎｅｒｇｙによって決定される周波数限界によって制限を受けない。
さらに、前述の素子の単位胞を、ＦＩＧ．３Ｂに示す超格子のように、Ｓｏｕｒｃｅ層（Ｓ）／Ｇａｔｅ層（Ｇ）／Ｄｒａｉｎ層（Ｄ）／Ｇ／Ｓ／Ｇ／Ｄ／Ｇ…、または、Ｓ／Ｇ／Ｄ／Ｓ／Ｇ／Ｄという順序で積層させるため、Ｓｏｕｒｃｅ層からＤｒａｉｎ層への相関は、等比級数的に１に近付く。たとえば、Ｓｏｕｒｃｅ層は、Ｓｏｕｒｃｅ層同士、Ｇａｔｅ層は、Ｇａｔｅ層同士、Ｄｒａｉｎ層は、Ｄｒａｉｎ層同士、接続することによって、透過率の問題を回避できることになる。誘電体障壁を有するＪｏｓｅｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎでは、カオス的な雑音、波動関数のゆらぎ、透過率の低さ、機械的な脆さなどに悩まされてきたが、提案した素子は、金属しか用いておらず、超伝導素子の実用化に向けてのすべての問題を解決したことになる。また、この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数での動作が可能である。動作周波数の上限は、金属のプラズモン損失（Ｃｕの場合１０３ｅＶのオーダー）を考慮すると、１０１８Ｈｚに及ぶことが期待される。仮に、そのような高周波での動作が可能であるならば、電気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換すること、または、その逆の変換、高エネルギー粒子の検出が可能になると考えられる。
上述したように、申請者は、「縮小則」による高速化ではない方法による、高周波数動作について議論してきた。超伝導体を用いた超高速動作が可能な素子を作成するためには、接合近傍の寄生容量（電子分極）を無くさなくてはならない。そのような素子の一例として、申請者は誘電体障壁を用いることなく電子の流れをコントロールするための、Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子を用いた超伝導４端子素子を提案した。
【実施例】
【０００５】
本発明は、高速スイッチングを目標としているが、Ｇａｔｅ層の「電子状態」だけでなく、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によっても素子の変調は可能である。ＦＩＧ．５に示すとおり、素子はマグネトロン・スパッタリング法により作製されており、Ｎｂ層とＣｕ層よりなる。素子は、Ｃｕ製のベース層によって下地から独立しており、Ｃｕ製のキャップ層により覆われ保護されている。各層は、到達真空度２．６×１０−５ＰａのＢａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅにおいて、超高純度Ａｒを３．０Ｐａにて製膜チャンバーに導入し、残留する水分子を液体窒素シュラウドによって凝縮した環境において作製された。素子の超伝導相転移温度は、６．５Ｋであった。素子のＳｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ間の動的インピーダンス（印加電流１００μＡ、周波数２．５ＫＨｚ、温度３．４Ｋ）をロックインアンプを用いた４端子法によってＧａｔｅ Ｂｉａｓ＝０において測定した。その結果、ＦＩＧ．６に示すとおり、外部環境からの事象を測定した証として、位相が進んだ領域に、Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓによる窪みができていることがわかる。標準偏差は、０．０１ｍＶ以下であり、窪みの大きさは、電力６．０ｘ１０−１１Ｗの約１０％、６．０ｘ１０−１２Ｗに相当する。明らかに、時間反転対称性（Ｔｉｍｅ
Ｒｅｖｅｒｓａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｙ；Ｔ）が破られており、金属で構成される素子内部には局在した電子による分極が無いことから、真空の相転移に関わる事象が測定されたことがわかる。「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」は、分極を有する素粒子の反転と全エネルギーの緩和（水素核の発生）であった。また、このような事象の際に発生する紫外光も、今回、観測されている。ＦＩＧ．７に示されるようにＩＳＯ４００フィルム上に光度が記録され、測定に用いたＰｒｏｂｅの陰が写っていることから、その正当性が評価された１６。「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって動作することがわかったが、同時に、素子の動作によって、これを誘発させる可能性があることも付け加えたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化物超伝導体の内部における電子分極が伝導シート間の波動関数の伝搬に及ぼす影響（ＦＩＧ．１Ａ）。酸化物超電導体を用いたＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子の場合、１０４Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、熱雑音が支配的となる６。Ｋ．Ｋ．ｌｉｋｈａｒｅｖの報告５によると、そのような熱雑音は、高周波領域での動的なインピーダンスが上昇するためであるとされている。つまり、ペロブスカイト構造の結晶には、大きな電子分極が存在することになる。波動関数は、それらの電子分極の存在によって、伝搬の際に遅れを生じてしまう。ＦＩＧ．１Ｂには、整合性の低い界面の近傍で、波動関数の遅れにゆらぎが生じることを説明した図を示す。波動関数の遅れによって界面近傍の秩序パラメターは小さくなり、必然的に波動関数は、弱結合となる。
【図２】抵抗測定の実験１１の結論として得られた、メゾスコピックな構造を有する超電導体における層ごとの反強磁性的スピン秩序。各々の層における電子状態は、非経験的分子軌道法であるＤＶ−Ｘα法１７によって計算された。同時に提案された「Ｃｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓの熱的安定化機構１１」によってスピンのゆらぎは、ノーマルな電子状態と独立して考えることができる。そのため、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。となりの層のスピンの方向は、交換相関パラメターの関数によって表される全エネルギーを下げるために反対になる。もし、このような反強磁性的磁気秩序が超伝導体に存在するとすると、電子の流れは、誘電体を用いなくても仕切ることができる。
【図３】４端子スイッチング素子の概略図と、その動作原理。スピンまで含めた波動関数が一致する層の間での遷移は優先的になる（ＦＩＧ．３Ａ）。近藤効果８の結果、となりの層への遷移は制限される。４端子素子の単位胞は、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層からなる（ＦＩＧ．３Ｂ）。スイッチのＯＦＦ動作は、素子内に存在するＢｌｏｃｈ共鳴が、Ｇａｔｅ層の電子状態か、外部環境からのＳｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓによって変調されることによって行われる。また、超伝導現象とＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）がアナロジーであることを考慮すると、電子の流れは誘電体を用いなくても仕切ることができる。すなわち、スピン交換相関作用の強い層を積層すれば、この素子を作成することが可能であることがわかる。
【図４】提案された４端子素子の単位胞内部での、エネルギーバンドの概略図。前述しているとおり、スピンのゆらぎは、「Ｃｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓの熱的安定化機構１１」によって、ノーマルな電子状態と独立して考えることができる。そのためメゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。超伝導内部の電子状態は、メゾスコピックなスケールで反強磁性的に配列し、常伝導金属によって仕切られている。近藤効果、または、「トンネル障壁効果」の結果として、半導体超格子と同様のＢｌｏｃｈ共鳴状態が確立されている。
【図５】超伝導スイッチング素子試料の外観。素子は、ＮｂとＣｕから構成されている。素子は、Ｃｕのベース層の上に作製され、超格子はＣｕのキャップ層によって保護されている。各層は、到達真空度２．６×１０−５ＰａのＢａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅにおいて、超高純度Ａｒを３．０Ｐａまで製膜チャンバーに導入し、残留する水分子を液体窒素シュラウドにて凝縮した環境において作製された。超格子の詳細は、超高電圧超高分解能電子顕微鏡法によって確認されている。
【図６】素子のＳｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ間の動的インピーダンス（印加電流１００μＡ、周波数２．５ｋＨｚ、温度３．４Ｋ）をロックインアンプを用いた４端子法によってＧａｔｅ Ｂｉａｓ＝０において測定した結果。外部環境からの事象を測定した証として、位相が進んだ領域に、Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓによる窪みができていることがわかる。標準偏差は、０．０１ｍＶ以下であり、窪みの大きさは、電力６．０ｘ１０−１１Ｗの約１０％、６．０ｘ１０−１２Ｗに相当する。明らかに、時間反転対称性（Ｔｉｍｅ Ｒｅｖｅｒｓａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｙ；Ｔ）が破られており、素子内部には局在した電子による分極が無いことから、真空の相転移に関わる事象が測定されたことがわかる。「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」は、分極を有する素粒子の反転と全エネルギーの緩和（水素核の発生）であった。
【図７】素子の発光を示す、抵抗測定が行われた際に得られた際に得られたネガティブ・フィルムのスキャン結果。真空紫外光（λ＝１９．３ｎｍ）の発光が認められる。明るさの更正は、フィルムに写った端子の陰で行った。抵抗測定の結果、明らかに「時間反転対称性」が破られていることから、真空の相転移に関わる事象が測定されていたことがわかる。発光は、分極を有する素粒子が分極反転し、全エネルギーが緩和された際（水素核の発生）に観測されたと考えられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子を用いたスイッチング素子に属する。
【発明の背景】
【０００２】
Ｗ．Ｂ．Ｓｈｏｃｋｌｅｙ、Ｊ．Ｂａｒｄｅｅｎ、Ｗ．Ｈ．Ｂｒａｔｔａｉｎらが、１９４８年にトランジスタ効果を発見して以来、コンピューターに用いられる半導体素子は、世界を変貌させる概念を数々創り出してきた。データを処理する速度は、概念の変化の流れに合わせ、最高速であることを要求されてきた。電子デバイス分野においても、この「流れ」に追従するために、構成素子は、「縮小則」に基づき集積されてきた。「縮小則」とは、集積回路の基本要素である、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）を含む回路全体の、抵抗値と静電容量の積を小さくすることによって、高速のスイッチングを可能にするという概念である。しかし、私たちは、現代社会の要請をこの「縮小則」によって乗り越えることができないことに気付き始めている。なぜなら、ＦＥＴのスイッチング動作は、ＦＥＴのゲート近傍のキャリアをバイアス電圧によって制御することによって行っているため、キャリアの移動度に依存してしまうのである。最近、Ｙ．Ｎｉｓｈｉは、２０１０年までの長期的な中央演算装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ；ＣＰＵ）の動作周波数上昇の見通しを立てた１。それによると、２０１０年においても、動作周波数は、１．１ｘ１０９Ｈｚまでであることが予言されている。つまり、ＣＰＵの情報処理能力は、高々数倍になるだけである。このことは、巨大なソフトウェアによって処理される莫大な量の情報処理量が、キャリアの移動度に依存していることを意味する。
一方、Ｂ．Ｄ．Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎによって提唱された超伝導素子は、高速で動作し、低消費電力であることが知られている２。しかし、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ素子は、７ｘ１０８Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、カオス的な信号のゆらぎによる雑音が支配的となるため、高周波数領域での実用には、供されていない。その上、トンネル障壁が存在することによる透過率の減少、信号の遅延、および、熱
Ｊ．Ｇ．Ｂｅｄｎｏｒｚらによって発見された酸化物超伝導体３は、高速で動作する素子への応用が期待されていたが、未だにスイッチング素子として実用化されていない。数多くの試行にもかかわらず実用化されなかったのは、酸化物超伝導体自らが有する特性のためであった。この申請書では、金属超伝導体超格子を用いることによって、実用化へ向けての問題をすべて解決できることを示す。
酸化物超電導体がＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子として実用化されなかった理由は２つある。第一に、結晶粒界などの整合性の低い界面が存在することによって、波動関数の位相が揺らいでしまうことがあげられる。第二に、このような整合性の低い界面では、波動関数の透過率が非常に小さいため集積化の際に信号が極度に減衰してしまう。
酸化物超伝導体の可干渉距離は、超伝導層転移温度（Ｔｃ）を上昇させるために極度に短く（〜０．１ｎｍ）設計されている４。しかし、そのためには、可干渉領域を誘電率の高いイオン性結晶で仕切らなくてはならない。その結果、結晶自身の誘電率が上昇し、伝導層の層間での波動関数の遅れが避けられない（ＦＩＧ．１Ａ）。また、整合性の低い界面では、この遅れが均一でなくなってしまう（ＦＩＧ．１Ｂ）。このような不均一性から素子の動的インピーダンスが上昇してしまい５，６、透過率が下がってしまう。すなわち、酸化物超伝導体の問題も、誘電率の存在に帰結できる。
超伝導現象の特性は、クーパーペアの波動関数の可干渉性で描写され、その可干渉性はスピン交換相関によって実現される。このことは、スピン交換相関が制御できれば電子の流れを操作することができることを意味している。そこで、スピン交換相関を人為的に制御している例として巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＧＭＲ）の発現機構を考察してみることとする。巨大磁気抵抗効果は、メゾスコピックな構造を有する金属系で発現することが報告されているが、外部磁気を印加することによって、電気抵抗が５０％も上昇するというものである７。巨大磁気抵抗効果は、スピンまで記述された波動関数が隣り合う層の間で異なるとき、近藤効果８によって遍歴電子の遷移が制限されるために起こる。巨大磁気抵抗効果を示す系における、メゾスコピックな磁気秩序に関する報告９があるが、それによると、超格子周期の２倍の磁気秩序が存在することが中性子回折によって確認されている。
ここで強調しておきたいことは、メゾスコピックな磁区構造が、超格子の周期を制御することによって発現することである。このことは、スピン交換相関という立場で、強く相関する超伝導層の積層周期を変化させることによって、誘電体を配置することなく、遍歴電子の遷移を制御していることを意味している。この示唆によって、誘電体を用いずにスイッチ動作する超格子を作成できるのである。
【発明の概要】
【０００３】
ここに提示された発明の目的は、超電導体を誘電体障壁で仕切らないで用いることである。また、ここに提示された発明の、もうひとつの目的は、高速度で動作するスイッチング素子を提供することである。これらの目標を達成するために、超伝導体／常伝導金属／超伝導体超格子構造を有する超伝導スイッチング素子が発明された。
【具体化のための詳しい説明】
【０００４】
超伝導金属−常伝導金属−超伝導金属（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ−Ｎｏｒｍａｌ ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ；Ｓ−Ｎ−Ｓ）超格子においては、次元クロスオーバー現
る次元クロスオーバー現象の調査に関して先駆的な役割を演じている１０。その報告によると、Ｎｂ／Ｃｕ系超格子の可干渉距離が、メゾスコピックな系でのみ異方性を有し、超格子周期を最適化することによって、超伝導層間での相関が極大化する。申請者は、かねてより、この層間の相関を利用して、スピンまで記述した波動関数を仕切ることを提案してきた。
最近、申請者らは、メゾスコピックな超格子周期を有するＮｂ／Ｃｕ超格子において、超伝導層ごとの反強磁性磁気秩序が存在することを報告した１１。Ｎｂ、Ｃｕ、各層の層厚を１６．８ｎｍ、１４．７ｎｍに固定したＮｂ／Ｃｕ系の超伝導超格子の電気抵抗を測定したところ、抵抗異常が再現性よく観察された。この抵抗異常が、層間の相関が極大になったときのみに出現することを考えると、メゾスコピックなスケールで、電子バンドの反強磁性的磁気秩序が実現されていること、また、抵抗異常が近藤効果による遍歴電子の挙動であることを導いた（ＦＩＧ．２）。もし、超伝導の系において反強磁性的磁気秩序が形成されているとすると、超伝導現象とＧＭＲのアナロジーが結論付けられる。前述したとおり、ＧＭＲを示す系においては、電子の流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができる。それゆえ、Ｓ−Ｎ−Ｓ接合においてもＣｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓの流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができると考えられる。
ＦＩＧ．３に４端子スイッチング素子の概要を図解したものを示す。層間での電子の遷移は、スピンの記述まで含めた波動関数が一致したときのみ支配的となり、となりの層への遷移は、反強磁性的的なスピン配列のために制限されることになる（ＦＩＧ．３Ａ）。この哲学に基づき、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層を有した４端子素子が、申請者によって提案されてきた（ＦＩＧ．３Ｂ）。スイッチング動作の動作原理は、Ｂｌｏｃｈ共鳴の変調１２，１３と、Ｂｌｏｃｈ共鳴における電子輸送の非線形性による。ＦＩＧ．４に描写したとおり、超伝導層における異なったスピンを有する占有軌道は、半導体超格子と同様に、常伝導層によって仕切られている。超格子内部のＣｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓは、共鳴状態にあり、その共鳴状態は、Ｇａｔｅの操作や外部から導入されるＳｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓによって変調を受ける。Ｂｌｏｃｈ共鳴が変調される結果、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ間の電圧は、超格子の非線形輸送によって多値化される１４。その現象は、半導体超格子と同一のものであるが、超格子におけるトンネル障壁の取り扱いが異なる。
Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子の場合、遍歴電子は、常伝導金属中を伝搬する。しかし、ある超伝導層から、となりの超伝導層への低温での遷移は、近藤効果によって制限される。遍歴電子による電気抵抗の値（ρ↑）は、次の式によって決定される８。
電気抵抗の値は、温度と常伝導金属のフェルミ準位における電子密度（ＮＰａｒａ（ＥＦ））の関数となる。その結果、１００Ｋ以下での遍歴電子の遷移確率は、著しく低下し、挿入されている常磁性金属は、絶縁体障壁と同様の働きをする。この働きは、半導体超格子のバンドギャップとも同様である。この「トンネル障壁効果」は、スピン交換相関の強い層の電子と、その間に挿入された常磁性金属中の電子の角運動量量子数が異なる場合に起こる現象として認知されている１５。結論として、この素子は、Ｂｌｏｃｈ共鳴によって超伝導電流が維持されている間、動作が可能である。それゆえ、動作は、典型的なＲＣ−ＴｙｐｅのＪｏｓｅｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎの場合に問題になるＧａｐ Ｅｎｅｒｇｙによって決定される周波数限界によって制限を受けない。
さらに、前述の素子の単位胞を、ＦＩＧ．３Ｂに示す超格子のように、Ｓｏｕｒｃｅ層（Ｓ）／Ｇａｔｅ層（Ｇ）／Ｄｒａｉｎ層（Ｄ）／Ｇ／Ｓ／Ｇ／Ｄ／Ｇ…、または、Ｓ／Ｇ／Ｄ／Ｓ／Ｇ／Ｄという順序で積層させるため、Ｓｏｕｒｃｅ層からＤｒａｉｎ層への相関は、等比級数的に１に近付く。たとえば、Ｓｏｕｒｃｅ層は、Ｓｏｕｒｃｅ層同士、Ｇａｔｅ層は、Ｇａｔｅ層同士、Ｄｒａｉｎ層は、Ｄｒａｉｎ層同士、接続することによって、透過率の問題を回避できることになる。誘電体障壁を有するＪｏｓｅｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎでは、カオス的な雑音、波動関数のゆらぎ、透過率の低さ、機械的な脆さなどに悩まされてきたが、提案した素子は、金属しか用いておらず、超伝導素子の実用化に向けてのすべての問題を解決したことになる。また、この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数での動作が可能である。動作周波数の上限は、金属のプラズモン損失（Ｃｕの場合１０３ｅＶのオーダー）を考慮すると、１０１８Ｈｚに及ぶことが期待される。仮に、そのような高周波での動作が可能であるならば、電気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換すること、または、その逆の変換、高エネルギー粒子の検出が可能になると考えられる。
上述したように、申請者は、「縮小則」による高速化ではない方法による、高周波数動作について議論してきた。超伝導体を用いた超高速動作が可能な素子を作成するためには、接合近傍の寄生容量（電子分極）を無くさなくてはならない。そのような素子の一例として、申請者は誘電体障壁を用いることなく電子の流れをコントロールするための、Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子を用いた超伝導４端子素子を提案した。
【実施例】
【０００５】
本発明は、高速スイッチングを目標としているが、Ｇａｔｅ層の「電子状態」だけでなく、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によっても素子の変調は可能である。ＦＩＧ．５に示すとおり、素子はマグネトロン・スパッタリング法により作製されており、Ｎｂ層とＣｕ層よりなる。素子は、Ｃｕ製のベース層によって下地から独立しており、Ｃｕ製のキャップ層により覆われ保護されている。各層は、到達真空度２．６×１０−５ＰａのＢａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅにおいて、超高純度Ａｒを３．０Ｐａにて製膜チャンバーに導入し、残留する水分子を液体窒素シュラウドによって凝縮した環境において作製された。素子の超伝導相転移温度は、６．５Ｋであった。素子のＳｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ間の動的インピーダンス（印加電流１００μＡ、周波数２．５ＫＨｚ、温度３．４Ｋ）をロックインアンプを用いた４端子法によってＧａｔｅ Ｂｉａｓ＝０において測定した。その結果、ＦＩＧ．６に示すとおり、外部環境からの事象を測定した証として、位相が進んだ領域に、Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓによる窪みができていることがわかる。標準偏差は、０．０１ｍＶ以下であり、窪みの大きさは、電力６．０ｘ１０−１１Ｗの約１０％、６．０ｘ１０−１２Ｗに相当する。明らかに、時間反転対称性（Ｔｉｍｅ
Ｒｅｖｅｒｓａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｙ；Ｔ）が破られており、金属で構成される素子内部には局在した電子による分極が無いことから、真空の相転移に関わる事象が測定されたことがわかる。「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」は、分極を有する素粒子の反転と全エネルギーの緩和（水素核の発生）であった。また、このような事象の際に発生する紫外光も、今回、観測されている。ＦＩＧ．７に示されるようにＩＳＯ４００フィルム上に光度が記録され、測定に用いたＰｒｏｂｅの陰が写っていることから、その正当性が評価された１６。「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって動作することがわかったが、同時に、素子の動作によって、これを誘発させる可能性があることも付け加えたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化物超伝導体の内部における電子分極が伝導シート間の波動関数の伝搬に及ぼす影響（ＦＩＧ．１Ａ）。酸化物超電導体を用いたＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子の場合、１０４Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、熱雑音が支配的となる６。Ｋ．Ｋ．ｌｉｋｈａｒｅｖの報告５によると、そのような熱雑音は、高周波領域での動的なインピーダンスが上昇するためであるとされている。つまり、ペロブスカイト構造の結晶には、大きな電子分極が存在することになる。波動関数は、それらの電子分極の存在によって、伝搬の際に遅れを生じてしまう。ＦＩＧ．１Ｂには、整合性の低い界面の近傍で、波動関数の遅れにゆらぎが生じることを説明した図を示す。波動関数の遅れによって界面近傍の秩序パラメターは小さくなり、必然的に波動関数は、弱結合となる。
【図２】抵抗測定の実験１１の結論として得られた、メゾスコピックな構造を有する超電導体における層ごとの反強磁性的スピン秩序。各々の層における電子状態は、非経験的分子軌道法であるＤＶ−Ｘα法１７によって計算された。同時に提案された「Ｃｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓの熱的安定化機構１１」によってスピンのゆらぎは、ノーマルな電子状態と独立して考えることができる。そのため、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。となりの層のスピンの方向は、交換相関パラメターの関数によって表される全エネルギーを下げるために反対になる。もし、このような反強磁性的磁気秩序が超伝導体に存在するとすると、電子の流れは、誘電体を用いなくても仕切ることができる。
【図３】４端子スイッチング素子の概略図と、その動作原理。スピンまで含めた波動関数が一致する層の間での遷移は優先的になる（ＦＩＧ．３Ａ）。近藤効果８の結果、となりの層への遷移は制限される。４端子素子の単位胞は、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層からなる（ＦＩＧ．３Ｂ）。スイッチのＯＦＦ動作は、素子内に存在するＢｌｏｃｈ共鳴が、Ｇａｔｅ層の電子状態か、外部環境からのＳｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓによって変調されることによって行われる。また、超伝導現象とＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）がアナロジーであることを考慮すると、電子の流れは誘電体を用いなくても仕切ることができる。すなわち、スピン交換相関作用の強い層を積層すれば、この素子を作成することが可能であることがわかる。
【図４】提案された４端子素子の単位胞内部での、エネルギーバンドの概略図。前述しているとおり、スピンのゆらぎは、「Ｃｏｏｐｅｒ ｐａｉｒｓの熱的安定化機構１１」によって、ノーマルな電子状態と独立して考えることができる。そのためメゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。超伝導内部の電子状態は、メゾスコピックなスケールで反強磁性的に配列し、常伝導金属によって仕切られている。近藤効果、または、「トンネル障壁効果」の結果として、半導体超格子と同様のＢｌｏｃｈ共鳴状態が確立されている。
【図５】超伝導スイッチング素子試料の外観。素子は、ＮｂとＣｕから構成されている。素子は、Ｃｕのベース層の上に作製され、超格子はＣｕのキャップ層によって保護されている。各層は、到達真空度２．６×１０−５ＰａのＢａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅにおいて、超高純度Ａｒを３．０Ｐａまで製膜チャンバーに導入し、残留する水分子を液体窒素シュラウドにて凝縮した環境において作製された。超格子の詳細は、超高電圧超高分解能電子顕微鏡法によって確認されている。
【図６】素子のＳｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ間の動的インピーダンス（印加電流１００μＡ、周波数２．５ｋＨｚ、温度３．４Ｋ）をロックインアンプを用いた４端子法によってＧａｔｅ Ｂｉａｓ＝０において測定した結果。外部環境からの事象を測定した証として、位相が進んだ領域に、Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓによる窪みができていることがわかる。標準偏差は、０．０１ｍＶ以下であり、窪みの大きさは、電力６．０ｘ１０−１１Ｗの約１０％、６．０ｘ１０−１２Ｗに相当する。明らかに、時間反転対称性（Ｔｉｍｅ Ｒｅｖｅｒｓａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｙ；Ｔ）が破られており、素子内部には局在した電子による分極が無いことから、真空の相転移に関わる事象が測定されたことがわかる。「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」は、分極を有する素粒子の反転と全エネルギーの緩和（水素核の発生）であった。
【図７】素子の発光を示す、抵抗測定が行われた際に得られた際に得られたネガティブ・フィルムのスキャン結果。真空紫外光（λ＝１９．３ｎｍ）の発光が認められる。明るさの更正は、フィルムに写った端子の陰で行った。抵抗測定の結果、明らかに「時間反転対称性」が破られていることから、真空の相転移に関わる事象が測定されていたことがわかる。発光は、分極を有する素粒子が分極反転し、全エネルギーが緩和された際（水素核の発生）に観測されたと考えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を有する、超伝導スイッチング素子。
（１）１番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｓｏｕｒｃｅ）は、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈにおいて、Ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈを終端させる。
（２）１番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記１番目の超伝導層上に作成される。
（３）２番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｇａｔｅ）は、上記１番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ ＰａｔｈにおけるＯｎ、Ｏｆｆを制御するＣｏｎｔｒｏｌ電極となる。（４）２番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記２番目の超伝導層上に作成される。
（５）３番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｄｒａｉｎ）は、上記２番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
【請求項２】
請求項１の素子における、１番目、２番目、３番目の超伝導層にそれぞれの端子を有する超伝導スイッチング素子。
【請求項３】
請求項１の素子における、１番目から３番目の超伝導層と、１番目、２番目の常伝導層は、１番目から３番目の超伝導層の電子が共鳴する厚さを有する、超伝導スイッチング素子。
【請求項４】
請求項３の素子における１番目、２番目、３番目の超伝導層（Ｎｂ層）、および、１番目、２番目の常伝導層（Ｃｕ層）の層厚は、各々１６．８ｎｍ、１４．７ｎｍである、超伝導スイッチング素子。
【請求項５】
請求項４の素子において、１番目の超伝導層はＳｏｕｒｃｅ電極が備えられているＳｏｕｒｃｅ層と呼び、２番目の超伝導層はＧａｔｅ電極が備えられたＧａｔｅ層と呼び、３番目の超伝導層はＤｒａｉｎ電極が備えられたＤｒａｉｎ層と呼ぶ、超伝導スイッチング素子。
【請求項６】
請求項５の素子において、１番目と２番目の常伝導層は、金属で構成されている、超伝導スイッチング素子。
【請求項７】
請求項５の素子において、１番目の超伝導層と３番目の超伝導層の間の電気抵抗が、Ｇａｔｅ層の電子状態、および、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって制御される、超伝導スイッチング素子。
【請求項８】
請求項１の素子において、１番目の超伝導層と、３番目の超伝導層の間の電気抵抗が、Ｇａｔｅ層の電子状態、および、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって制御される、超伝導スイッチング素子。
【請求項９】
請求項４の素子において、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ電圧が多値化され、Ｇａｔｅ層の電子状態、および、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」に相当するＳｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ電圧を示す、超伝導スイッチング素子。
【請求項１０】
請求項１の素子において、１番目、２番目、３番目の超伝導層、および、１番目、２番目の常伝導層を、単位胞として、複数の単位胞を有する場合を含む、超伝導スイッチング素子。
【請求項１１】
請求項１０の素子において、単位胞の１番目の超伝導層、単位胞の２番目の超伝導層、単位胞の３番目の超伝導層の、それぞれを、複数の単位胞において接続した、超伝導スイッチング素子。
【請求項１２】
以下の特徴を有する、超伝導スイッチング素子。
（１）１番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｓｏｕｒｃｅ）は、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
（２）１番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記１番目の超伝導層上に作成される。
（３）２番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｇａｔｅ）は、上記１番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ ＰａｔｈにおけるＯｎ、Ｏｆｆを制御するＣｏｎｔｒｏｌ電極となる。（４）２番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記２番目の超伝導層上に作成される。）
（５）３番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｄｒａｉｎ）は、上記２番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
（６）３番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記３番目の超伝導層上に作成される。
（７）４番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｓｏｕｒｃｅ）は、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端し、１番目の超伝導層に接続される。
（８）４番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記４番目の超伝導層上に作成される。
（９）５番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｇａｔｅ）は、上記４番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ ＰａｔｈにおけるＯｎ、Ｏｆｆを制御するＣｏｎｔｒｏｌ電極となる。（１０）５番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記５番目の超伝導層上に作成される。
（１１）６番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｄｒａｉｎ）は、上記５番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
【請求項１３】
１番目の超伝導層、１番目の常伝導層、２番目の超伝導層、２番目の超伝導層、２番目の常伝導層、３番目の超伝導層のうち、１番目から３番目の超伝導層は自らの端子を有し、１番目から３番目の超伝導層、および、１番目から２番目の常伝導層の厚みは、「次元クロスオーバー現象」に基づいて決定されるところの、超伝導スイッチング素子。
【請求項１４】
請求項１３の超伝導スイッチング素子のうち、１番目の超伝導層はＳｏｕｒｃｅ層として供され、２番目の超伝導層はＧａｔｅ層として供され、３番目の超伝導層はＤｒａｉｎ層として供されるところの超伝導スイッチング素子。
【請求項１５】
請求項１３の超伝導スイッチング素子のうち、Ｇａｔｅ層自らの電子状態、および、外部環境から導入される「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって、素子内部の超格子のＢｌｏｃｈ共鳴を変調することによって動作する超伝導スイッチング素子。
【請求項１６】
請求項１５の超伝導スイッチング素子のうち、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ電圧がＢｌｏｃｈ共鳴による非線形電子輸送によって多値化される超伝導スイッチング素子。
【請求項１７】
請求項１３の超伝導スイッチング素子のうち、以下の構造を有するもの。
（１）Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層の順に積層された構造。
（２）または、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層、Ｓｏｕｒｃｅ層の順に積層された構造。
【請求項１】
以下を有する、超伝導スイッチング素子。
（１）１番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｓｏｕｒｃｅ）は、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈにおいて、Ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈを終端させる。
（２）１番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記１番目の超伝導層上に作成される。
（３）２番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｇａｔｅ）は、上記１番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ ＰａｔｈにおけるＯｎ、Ｏｆｆを制御するＣｏｎｔｒｏｌ電極となる。（４）２番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記２番目の超伝導層上に作成される。
（５）３番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｄｒａｉｎ）は、上記２番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
【請求項２】
請求項１の素子における、１番目、２番目、３番目の超伝導層にそれぞれの端子を有する超伝導スイッチング素子。
【請求項３】
請求項１の素子における、１番目から３番目の超伝導層と、１番目、２番目の常伝導層は、１番目から３番目の超伝導層の電子が共鳴する厚さを有する、超伝導スイッチング素子。
【請求項４】
請求項３の素子における１番目、２番目、３番目の超伝導層（Ｎｂ層）、および、１番目、２番目の常伝導層（Ｃｕ層）の層厚は、各々１６．８ｎｍ、１４．７ｎｍである、超伝導スイッチング素子。
【請求項５】
請求項４の素子において、１番目の超伝導層はＳｏｕｒｃｅ電極が備えられているＳｏｕｒｃｅ層と呼び、２番目の超伝導層はＧａｔｅ電極が備えられたＧａｔｅ層と呼び、３番目の超伝導層はＤｒａｉｎ電極が備えられたＤｒａｉｎ層と呼ぶ、超伝導スイッチング素子。
【請求項６】
請求項５の素子において、１番目と２番目の常伝導層は、金属で構成されている、超伝導スイッチング素子。
【請求項７】
請求項５の素子において、１番目の超伝導層と３番目の超伝導層の間の電気抵抗が、Ｇａｔｅ層の電子状態、および、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって制御される、超伝導スイッチング素子。
【請求項８】
請求項１の素子において、１番目の超伝導層と、３番目の超伝導層の間の電気抵抗が、Ｇａｔｅ層の電子状態、および、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって制御される、超伝導スイッチング素子。
【請求項９】
請求項４の素子において、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ電圧が多値化され、Ｇａｔｅ層の電子状態、および、外部環境から導入された「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」に相当するＳｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ電圧を示す、超伝導スイッチング素子。
【請求項１０】
請求項１の素子において、１番目、２番目、３番目の超伝導層、および、１番目、２番目の常伝導層を、単位胞として、複数の単位胞を有する場合を含む、超伝導スイッチング素子。
【請求項１１】
請求項１０の素子において、単位胞の１番目の超伝導層、単位胞の２番目の超伝導層、単位胞の３番目の超伝導層の、それぞれを、複数の単位胞において接続した、超伝導スイッチング素子。
【請求項１２】
以下の特徴を有する、超伝導スイッチング素子。
（１）１番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｓｏｕｒｃｅ）は、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
（２）１番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記１番目の超伝導層上に作成される。
（３）２番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｇａｔｅ）は、上記１番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ ＰａｔｈにおけるＯｎ、Ｏｆｆを制御するＣｏｎｔｒｏｌ電極となる。（４）２番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記２番目の超伝導層上に作成される。）
（５）３番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｄｒａｉｎ）は、上記２番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
（６）３番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記３番目の超伝導層上に作成される。
（７）４番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｓｏｕｒｃｅ）は、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端し、１番目の超伝導層に接続される。
（８）４番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記４番目の超伝導層上に作成される。
（９）５番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｇａｔｅ）は、上記４番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ ＰａｔｈにおけるＯｎ、Ｏｆｆを制御するＣｏｎｔｒｏｌ電極となる。（１０）５番目の常伝導層（Ｃｕ層）は、上記５番目の超伝導層上に作成される。
（１１）６番目の超伝導層（Ｎｂ層、Ｄｒａｉｎ）は、上記５番目の常伝導層上に作成され、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐａｔｈを終端する。
【請求項１３】
１番目の超伝導層、１番目の常伝導層、２番目の超伝導層、２番目の超伝導層、２番目の常伝導層、３番目の超伝導層のうち、１番目から３番目の超伝導層は自らの端子を有し、１番目から３番目の超伝導層、および、１番目から２番目の常伝導層の厚みは、「次元クロスオーバー現象」に基づいて決定されるところの、超伝導スイッチング素子。
【請求項１４】
請求項１３の超伝導スイッチング素子のうち、１番目の超伝導層はＳｏｕｒｃｅ層として供され、２番目の超伝導層はＧａｔｅ層として供され、３番目の超伝導層はＤｒａｉｎ層として供されるところの超伝導スイッチング素子。
【請求項１５】
請求項１３の超伝導スイッチング素子のうち、Ｇａｔｅ層自らの電子状態、および、外部環境から導入される「Ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔｓ」によって、素子内部の超格子のＢｌｏｃｈ共鳴を変調することによって動作する超伝導スイッチング素子。
【請求項１６】
請求項１５の超伝導スイッチング素子のうち、Ｓｏｕｒｃｅ−Ｄｒａｉｎ電圧がＢｌｏｃｈ共鳴による非線形電子輸送によって多値化される超伝導スイッチング素子。
【請求項１７】
請求項１３の超伝導スイッチング素子のうち、以下の構造を有するもの。
（１）Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層の順に積層された構造。
（２）または、Ｓｏｕｒｃｅ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層、Ｄｒａｉｎ層、Ｇａｔｅ層、Ｓｏｕｒｃｅ層の順に積層された構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−５０４２４（Ｐ２０１０−５０４２４Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４３２９４（Ｐ２００８−２４３２９４）
【出願日】平成２０年８月２５日（２００８．８．２５）
【出願人】（５９４１３５４５０）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２５日（２００８．８．２５）
【出願人】（５９４１３５４５０）
【Ｆターム（参考）】
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