超伝導配線
【課題】磁束揺らぎに対して敏感な超伝導回路に使用される超伝導配線では、磁束雑音を抑制することが必要であり、超伝導磁気センサの測定雑音限界の改善や超伝導量子ビット回路における磁束雑音を抑制し、超伝導量子ビット回路の量子コヒーレンス向上に寄与する超伝導配線、磁束雑音の抑制方法、磁束センサ及び超伝導量子ビット回路を提供する。
【解決手段】超伝導配線の超伝導体層１０１の上下表面及び端面を磁気秩序層として機能する反強磁性絶縁体層１０２または強磁性絶縁体層で被覆した。
【解決手段】超伝導配線の超伝導体層１０１の上下表面及び端面を磁気秩序層として機能する反強磁性絶縁体層１０２または強磁性絶縁体層で被覆した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導配線に関し、特に、超高感度の磁束センサとして用いられる超伝導磁束量子干渉計や超高速の量子計算に用いられる超伝導量子ビット回路に適用できる超伝導配線に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導回路はその巨視的な量子力学的性質と抵抗のない無散逸な特徴を活かして、様々な分野で応用されている。例えば、超伝導磁束量子干渉素子（SQUID）は非常に高感度な磁束センサとして広く実用化されている。また近年では、超伝導回路の量子力学的振る舞いを活かして量子計算を実現するための超伝導量子ビット回路が実証され、そのコヒーレントな動作が示されている。
【０００３】
この種、超伝導量子ビット回路に用いられる超伝導配線として、特許文献１には、超伝導材料である窒化二オブを用いた超伝導配線が記載されている。特許文献１では、窒化二オブ配線に電流が流れ難くなる原因について指摘している。即ち、その原因が、蒸着膜の結晶が柱状構造であるため段差の部分で結晶の欠陥ができるためであることを指摘し、当該窒化二オブ配線を平坦化して段差をなくすことを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５８３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、超伝導回路に用いられる超伝導配線は、図３に示すように、絶縁体基板３０３上に、主に、二オブ、アルミニウム等の金属材料によって形成された超伝導配線層３０１を被着することによって構成されている。
【０００６】
このような超伝導配線層３０１の表面は、絶縁体膜３０２によって覆われているのが普通である。即ち、超伝導配線層３０１の表面を大気に曝すことによって自然酸化膜が超伝導配線層３０１の表面に絶縁体膜３０２として形成されるか、または、陽極酸化やプラズマ酸化で形成された酸化膜によって超伝導配線層３０１の表面が覆われている場合、或いは、スパッタなどで製膜された保護用の絶縁体酸化膜例えばシリカなどで覆われている場合もある。
【０００７】
しかしながら、絶縁体膜３０２によって覆われた超伝導配線層３０１によって形成された超伝導配線には、以下のような問題点があることが判明した。
【０００８】
その問題点は、磁束雑音による動作性能の限界があるということである。この原因は、超伝導配線層表面に存在する局在電子スピンによって、回路に内在する磁束雑音に起因していることが判明した。
【０００９】
より具体的に説明すると、ニオブやアルミニウムなどの金属材料が超伝導体層として用いられているが，図３に示すように、その表面が絶縁体膜３０２によって覆われていると、磁束雑音が発生することが判った。これは、超伝導配線層３０１と絶縁体膜３０２との間の界面欠陥に生じる電子スピンによるものであることを見出した。
【００１０】
図４には、超伝導体層と絶縁体層の界面の模式図が示されている。超伝導金属層４０１とこれらの酸化膜および絶縁体膜４０２の間に、界面欠陥として表面欠陥電子スピン（常磁性電子スピン）４０３が生じ、当該常磁性電子スピン４０３の揺らぎが磁束雑音を発生し，超伝導磁束量子干渉計の測定雑音限界や超伝導量子ビットのコヒーレンスの消失に寄与していることが判った。
【００１１】
本発明の目的は、超伝導磁気センサの測定雑音限界の改善や超伝導量子ビット回路における磁束雑音を抑制できる超伝導配線を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、超伝導量子ビット回路の量子コヒーレンス向上に寄与する超伝導配線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の態様によれば、超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う反強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線が得られる。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線が得られる。
【００１５】
本発明の更に別の態様によれば、超伝導体層によって形成された超伝導配線に伴う磁束雑音を抑制する方法において、前記超伝導体層との界面における局在スピンをピンニングできる磁気秩序層を前記超伝導体層上に形成することにより、前記磁束雑音を抑制することを特徴とする磁束雑音の抑制方法が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、伝導配線層の表面を反強磁性体絶縁層または強磁性体絶縁層で被覆することで、磁気雑音の抑制を実現した超伝導体配線を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の超伝導配線の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の超伝導配線の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図３】従来の超伝導配線の断面図である。
【図４】従来の超伝導配線における超伝導体層と絶縁体層の界面の模式図である。
【図５】本発明の超伝導配線の第１の実施の形態における超伝導体層と反強磁性絶縁体層の界面の断面図である。
【図６】本発明の超伝導配線の第２の実施の形態における超伝導体層と強磁性絶縁体層の界面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る超伝導配線は、超伝導体層１０１の上下表面および端面は反強磁性絶縁体層１０２が形成されている。超伝導体層１０１及び反強磁性絶縁体層１０２は絶縁体基板１０３上に設けられている。ここで、超伝導体層１０１は二オブ、アルミニウム等の金属材料によって形成されており、他方、反強磁性体絶縁層１０２は、例えば、酸化マンガン、酸化ニッケル等によって形成されている。
【００１９】
図１に示された超伝導配線の超伝導体層１０１と反強磁性絶縁体層１０２の界面の状態を、図５を参照して説明する。超伝導体層５０１と反強磁性絶縁体層５０２の界面においては、局在電子スピン５０３が界面欠陥電子スピンとして存在する。しかしながら、反強磁性絶縁体層中５０２ではスピンが秩序化しているので、局在電子スピン５０３はそれらのスピンとの強い相互作用によりピニングされ、それらの揺らぎは抑えられる。従って、磁束雑音の抑制という効果がもたらされる。
【００２０】
しかも、本実施の形態では、反強磁性絶縁体層５０２は全体としては磁化を持たないので、超伝導回路の動作に磁束バイアスのオフセットを与えないという効果が得られる。
【００２１】
また、この構成では、超伝導体層１０１表面に常伝導金属層が存在しないため、高周波回路における抵抗散逸がなく、超伝導量子ビット回路のコヒーレンスに悪影響を及ぼさないと云う利点もある。
【００２２】
（第２の実施形態）
図２を参照すると、本発明の第２の実施形態に係る超伝導配線は、超伝導体層２０１と、その上下表面および端面を覆う強磁性絶縁体層２０２を有し、これら超伝導体層２０１及び強磁性絶縁体層２０２は、絶縁体基板２０３上に形成されている。ここで、強磁性体絶縁体層２０２は、例えば、酸化物磁性体であるフェライト等のフェリ磁性体によって形成されている。
【００２３】
図２に示された超伝導配線の超伝導体層２０１と強磁性絶縁体層２０２との間の界面状態を、図６を参照して説明する。図６においても、超伝導体層６０１と強磁性絶縁体層６０２の界面においては、局在電子スピン６０３が界面欠陥電子スピンとして存在するが、強磁性絶縁体層中６０２ではスピンが秩序化しているため、局在電子スピン６０３はそれらのスピンとの強い相互作用によりピニングされている。この結果、局在電子スピン６０３による揺らぎは抑制される。
【００２４】
図６に示された実施の形態でも、超伝導体層６０１表面に常伝導金属層が存在しないため、高周波回路における抵抗散逸がなく、超伝導量子ビット回路のコヒーレンスに悪影響を及ぼさない。
【００２５】
図５および図６に示すように、超伝導体層５０１または６０１表面を反強磁性体絶縁体層５０２または強磁性体絶縁体層６０２で被覆することで，超伝導体層と絶縁体層の間の界面欠陥に生じる電子スピン５０３または６０３の揺らぎを磁気秩序層５０２または６０２との間の交換相互作用によりピニングすることで，磁束雑音を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、高感度の磁気センサに用いられる超伝導磁束量子干渉素子や量子計算機に用いられる超伝導量子ビットに使用される超伝導配線に適用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１０１ 超伝導体層
１０２ 反強磁性絶縁体層
１０３ 絶縁体基板
２０１ 超伝導体層
２０２ 強磁性絶縁体層
２０３ 絶縁体基板
３０１ 超伝導配線層
３０２ 絶縁体膜
３０３ 絶縁体基板
４０１ 超伝導金属層
４０２ 絶縁体膜
４０３ 表面欠陥電子スピン
５０１ 超伝導体層
５０２ 反強磁性絶縁体層
５０３ 界面欠陥電子スピン
６０１ 超伝導体層
６０２ 強磁性絶縁体層
６０３ 界面欠陥電子スピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導配線に関し、特に、超高感度の磁束センサとして用いられる超伝導磁束量子干渉計や超高速の量子計算に用いられる超伝導量子ビット回路に適用できる超伝導配線に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導回路はその巨視的な量子力学的性質と抵抗のない無散逸な特徴を活かして、様々な分野で応用されている。例えば、超伝導磁束量子干渉素子（SQUID）は非常に高感度な磁束センサとして広く実用化されている。また近年では、超伝導回路の量子力学的振る舞いを活かして量子計算を実現するための超伝導量子ビット回路が実証され、そのコヒーレントな動作が示されている。
【０００３】
この種、超伝導量子ビット回路に用いられる超伝導配線として、特許文献１には、超伝導材料である窒化二オブを用いた超伝導配線が記載されている。特許文献１では、窒化二オブ配線に電流が流れ難くなる原因について指摘している。即ち、その原因が、蒸着膜の結晶が柱状構造であるため段差の部分で結晶の欠陥ができるためであることを指摘し、当該窒化二オブ配線を平坦化して段差をなくすことを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５８３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、超伝導回路に用いられる超伝導配線は、図３に示すように、絶縁体基板３０３上に、主に、二オブ、アルミニウム等の金属材料によって形成された超伝導配線層３０１を被着することによって構成されている。
【０００６】
このような超伝導配線層３０１の表面は、絶縁体膜３０２によって覆われているのが普通である。即ち、超伝導配線層３０１の表面を大気に曝すことによって自然酸化膜が超伝導配線層３０１の表面に絶縁体膜３０２として形成されるか、または、陽極酸化やプラズマ酸化で形成された酸化膜によって超伝導配線層３０１の表面が覆われている場合、或いは、スパッタなどで製膜された保護用の絶縁体酸化膜例えばシリカなどで覆われている場合もある。
【０００７】
しかしながら、絶縁体膜３０２によって覆われた超伝導配線層３０１によって形成された超伝導配線には、以下のような問題点があることが判明した。
【０００８】
その問題点は、磁束雑音による動作性能の限界があるということである。この原因は、超伝導配線層表面に存在する局在電子スピンによって、回路に内在する磁束雑音に起因していることが判明した。
【０００９】
より具体的に説明すると、ニオブやアルミニウムなどの金属材料が超伝導体層として用いられているが，図３に示すように、その表面が絶縁体膜３０２によって覆われていると、磁束雑音が発生することが判った。これは、超伝導配線層３０１と絶縁体膜３０２との間の界面欠陥に生じる電子スピンによるものであることを見出した。
【００１０】
図４には、超伝導体層と絶縁体層の界面の模式図が示されている。超伝導金属層４０１とこれらの酸化膜および絶縁体膜４０２の間に、界面欠陥として表面欠陥電子スピン（常磁性電子スピン）４０３が生じ、当該常磁性電子スピン４０３の揺らぎが磁束雑音を発生し，超伝導磁束量子干渉計の測定雑音限界や超伝導量子ビットのコヒーレンスの消失に寄与していることが判った。
【００１１】
本発明の目的は、超伝導磁気センサの測定雑音限界の改善や超伝導量子ビット回路における磁束雑音を抑制できる超伝導配線を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、超伝導量子ビット回路の量子コヒーレンス向上に寄与する超伝導配線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の態様によれば、超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う反強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線が得られる。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線が得られる。
【００１５】
本発明の更に別の態様によれば、超伝導体層によって形成された超伝導配線に伴う磁束雑音を抑制する方法において、前記超伝導体層との界面における局在スピンをピンニングできる磁気秩序層を前記超伝導体層上に形成することにより、前記磁束雑音を抑制することを特徴とする磁束雑音の抑制方法が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、伝導配線層の表面を反強磁性体絶縁層または強磁性体絶縁層で被覆することで、磁気雑音の抑制を実現した超伝導体配線を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の超伝導配線の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の超伝導配線の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図３】従来の超伝導配線の断面図である。
【図４】従来の超伝導配線における超伝導体層と絶縁体層の界面の模式図である。
【図５】本発明の超伝導配線の第１の実施の形態における超伝導体層と反強磁性絶縁体層の界面の断面図である。
【図６】本発明の超伝導配線の第２の実施の形態における超伝導体層と強磁性絶縁体層の界面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る超伝導配線は、超伝導体層１０１の上下表面および端面は反強磁性絶縁体層１０２が形成されている。超伝導体層１０１及び反強磁性絶縁体層１０２は絶縁体基板１０３上に設けられている。ここで、超伝導体層１０１は二オブ、アルミニウム等の金属材料によって形成されており、他方、反強磁性体絶縁層１０２は、例えば、酸化マンガン、酸化ニッケル等によって形成されている。
【００１９】
図１に示された超伝導配線の超伝導体層１０１と反強磁性絶縁体層１０２の界面の状態を、図５を参照して説明する。超伝導体層５０１と反強磁性絶縁体層５０２の界面においては、局在電子スピン５０３が界面欠陥電子スピンとして存在する。しかしながら、反強磁性絶縁体層中５０２ではスピンが秩序化しているので、局在電子スピン５０３はそれらのスピンとの強い相互作用によりピニングされ、それらの揺らぎは抑えられる。従って、磁束雑音の抑制という効果がもたらされる。
【００２０】
しかも、本実施の形態では、反強磁性絶縁体層５０２は全体としては磁化を持たないので、超伝導回路の動作に磁束バイアスのオフセットを与えないという効果が得られる。
【００２１】
また、この構成では、超伝導体層１０１表面に常伝導金属層が存在しないため、高周波回路における抵抗散逸がなく、超伝導量子ビット回路のコヒーレンスに悪影響を及ぼさないと云う利点もある。
【００２２】
（第２の実施形態）
図２を参照すると、本発明の第２の実施形態に係る超伝導配線は、超伝導体層２０１と、その上下表面および端面を覆う強磁性絶縁体層２０２を有し、これら超伝導体層２０１及び強磁性絶縁体層２０２は、絶縁体基板２０３上に形成されている。ここで、強磁性体絶縁体層２０２は、例えば、酸化物磁性体であるフェライト等のフェリ磁性体によって形成されている。
【００２３】
図２に示された超伝導配線の超伝導体層２０１と強磁性絶縁体層２０２との間の界面状態を、図６を参照して説明する。図６においても、超伝導体層６０１と強磁性絶縁体層６０２の界面においては、局在電子スピン６０３が界面欠陥電子スピンとして存在するが、強磁性絶縁体層中６０２ではスピンが秩序化しているため、局在電子スピン６０３はそれらのスピンとの強い相互作用によりピニングされている。この結果、局在電子スピン６０３による揺らぎは抑制される。
【００２４】
図６に示された実施の形態でも、超伝導体層６０１表面に常伝導金属層が存在しないため、高周波回路における抵抗散逸がなく、超伝導量子ビット回路のコヒーレンスに悪影響を及ぼさない。
【００２５】
図５および図６に示すように、超伝導体層５０１または６０１表面を反強磁性体絶縁体層５０２または強磁性体絶縁体層６０２で被覆することで，超伝導体層と絶縁体層の間の界面欠陥に生じる電子スピン５０３または６０３の揺らぎを磁気秩序層５０２または６０２との間の交換相互作用によりピニングすることで，磁束雑音を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、高感度の磁気センサに用いられる超伝導磁束量子干渉素子や量子計算機に用いられる超伝導量子ビットに使用される超伝導配線に適用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１０１ 超伝導体層
１０２ 反強磁性絶縁体層
１０３ 絶縁体基板
２０１ 超伝導体層
２０２ 強磁性絶縁体層
２０３ 絶縁体基板
３０１ 超伝導配線層
３０２ 絶縁体膜
３０３ 絶縁体基板
４０１ 超伝導金属層
４０２ 絶縁体膜
４０３ 表面欠陥電子スピン
５０１ 超伝導体層
５０２ 反強磁性絶縁体層
５０３ 界面欠陥電子スピン
６０１ 超伝導体層
６０２ 強磁性絶縁体層
６０３ 界面欠陥電子スピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う反強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線。
【請求項２】
超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線。
【請求項３】
超伝導体層によって形成された超伝導配線に伴う磁束雑音を抑制する方法において、前記超伝導体層との界面における局在スピンをピンニングできる磁気秩序層を前記超伝導体層上に形成することにより、前記磁束雑音を抑制することを特徴とする磁束雑音の抑制方法。
【請求項４】
請求項３において、前記磁気秩序層は、反強磁性絶縁体層及び強磁性絶縁体層のいずれか一方であることを特徴とする磁束雑音の抑制方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載された超伝導配線を含むことを特徴とする磁束センサ。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか一項に記載された超伝導配線を含むことを特徴とする超伝導量子ビット回路。
【請求項１】
超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う反強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線。
【請求項２】
超伝導体層と、その上下表面および端面を覆う強磁性絶縁体層とを有することを特徴とする超伝導配線。
【請求項３】
超伝導体層によって形成された超伝導配線に伴う磁束雑音を抑制する方法において、前記超伝導体層との界面における局在スピンをピンニングできる磁気秩序層を前記超伝導体層上に形成することにより、前記磁束雑音を抑制することを特徴とする磁束雑音の抑制方法。
【請求項４】
請求項３において、前記磁気秩序層は、反強磁性絶縁体層及び強磁性絶縁体層のいずれか一方であることを特徴とする磁束雑音の抑制方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載された超伝導配線を含むことを特徴とする磁束センサ。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか一項に記載された超伝導配線を含むことを特徴とする超伝導量子ビット回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−４４６３１（Ｐ２０１１−４４６３１Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９２７９４（Ｐ２００９−１９２７９４）
【出願日】平成２１年８月２４日（２００９．８．２４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２４日（２００９．８．２４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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