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トンネル接合型マイクロ SQUID の開発と磁場応答

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トンネル接合型マイクロ SQUID の開発と磁場応答. 低温物性 大塚研究室 200100354 鈴木 一也 200100431 宮川 佳子 指導教員 大塚 洋一. Outline. ジョセフソン接合とジョセフソン効果 マイクロ SQUID とは? 目的 SQUID 作製プロセス 測定系 結果、考察 SQUID を利用した測定の試み まとめ. ジョセフソン接合. 超伝導体 - 弱接合部 - 超伝導体構造 様々なジョセフソン素子. トンネル接合. ブリッジ型. 点接触型. ジョセフソン効果.

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Presentation Transcript
squid

トンネル接合型マイクロSQUIDの開発と磁場応答トンネル接合型マイクロSQUIDの開発と磁場応答

低温物性 大塚研究室

200100354 鈴木 一也

200100431 宮川 佳子

指導教員 大塚 洋一

outline
Outline
  • ジョセフソン接合とジョセフソン効果
  • マイクロSQUIDとは?
  • 目的
  • SQUID作製プロセス
  • 測定系
  • 結果、考察
  • SQUIDを利用した測定の試み
  • まとめ
slide3
ジョセフソン接合

超伝導体-弱接合部-超伝導体構造

様々なジョセフソン素子

トンネル接合

ブリッジ型

点接触型

slide4
ジョセフソン効果

①ジョセフソン接合間には超伝導体の位相差δθに依存する

超伝導電流Iが流れる(直流ジョセフソン効果)

②ジョセフソン接合間に直流電圧Vがかかっているときは、

Vに比例する周波数の交流電流が流れる(交流ジョセフソン効果)

dc squid
dc-SQUIDの原理

Superconducting Quantum Interference Devices;超伝導量子干渉計

超伝導臨界電流は

SQUIDループを貫く磁束に対して

周期的に振動する。

dc-SQUIDの構造

F0 = 2.07x10-15 Wb;磁束量子

超伝導臨界電流

ジョセフソン接合

磁束量子で規格化した磁束

squid6
SQUIDの特性と弱点
  • 特性
  •   磁場に対して高感度
  •   ⇒磁場に変換可能な物理量の測定に威力を発揮
  • 弱点
  •   磁場に弱い
  •    (従来のSQUIDは数十Gaussで特性を失う)
  •   ⇒SQUIDは磁気シールド内におき、高磁場部分の試    料の信号は磁束輸送によって導く
squid7
トンネル接合型マイクロSQUID

ループの大きさがミクロンサイズのSQUID(マイクロSQUID)

トンネル接合面積の縮小

磁場に対する耐性の向上

SQUIDループ面積の縮小

局所的な測定が可能

ex.走査型SQUID顕微鏡

squid8
マイクロSQUIDを用いた研究例

ブリッジ型マイクロSQUIDによる金属微粒子、金属細線の磁化反転の測定

SQUID面に磁場を平行に印加

         ↓

      試料が磁化

         ↓

  試料の作る磁場のみを検出

W.Wernsdorfer.Adv.Chem.Phys.118.99(2001)

slide9
目的

・トンネル接合型マイクロSQUIDの作製

・マイクロSQUIDの電流-電圧特性、磁場動作領域の測定

・マイクロSQUIDを利用した測定

slide10
設計

フォトリソグラフィー・電子線リソグラフィー・斜め蒸着法を使用する

設計値

 接合面積:0.01um2

 線幅:0.1um

 膜厚:25nm-30nm

 トンネル抵抗値:~10kΩ

Al(バルク)

Tc = 1.18K

Hc /μ0 = 99gauss

Δ= 0.17meV (T = 0 K)

squid11
作製したSQUIDの走査型電子顕微鏡画像
  • ループの大きさ     2μm×2μm
  • トンネル接合面積
  • 0.01μm2
  • リードの線幅
  • 150nm
  • 電気抵抗
  •     ~30kΩ
  • 電気容量
  •     ~1fF
squid12
SQUIDの作製プロセス

電子線露光、斜め蒸着法

Alの真空蒸着

25nm→酸化→30nm

 トンネル接合(Al-AlOx-Al)

slide13
測定

B

B

垂直磁場

希釈冷凍機を用いて冷却

・ 電流電圧特性

・ 磁場(SQUID面に垂直/平行)に対する臨界電流の振動

 →磁場に対するSQUID動作領域の測定

平行磁場

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電流-電圧特性の測定

一定電流をSQUIDに流し、電流増幅器を使用

期待される電流電圧特性

slide15
電流-電圧特性

B=9gauss

T=90mK

消費電力

P=10-14W

c.f.ブリッジ型

マイクロSQUID

P=10-6W

超伝導分枝的電流

電気抵抗が存在

slide16
電流-電圧-磁場特性(垂直磁場掃印)

B

磁場(gauss)

-20 -15 -10 -5 0 5

電流(nA)

電圧(mV)

B=-17~2 gauss

T=100mK

ゼロバイアス抵抗が存在

磁場に対して周期的に振動

超伝導界電流を測定する

必要がない

slide17
コンダクタンスの磁場応答の測定

振幅10μVの交流電圧をSQUIDに加え電流増幅器、ロックインアンプを使用した。

予想される振動

コンダクタンス

磁束量子で規格化した磁束

6300gauss 0gauss
垂直磁場に対するコンダクタンスの振動       (6300gauss→0gauss)垂直磁場に対するコンダクタンスの振動       (6300gauss→0gauss)

B

約5500gauss以降では振動が消失

c.f.一般的なSQUIDは数十gauss程度で特性を失う。

slide19
垂直磁場を印加した場合の振動周期

SQUIDの臨界電流の振動周期

実験から得られたコンダクタンスの振動周期

理論的考察

DB= F0 /S

= 2.07x10-15 Wb/(2mm)2

= 0.5×10-3T

= 5gauss

フーリエスペクトル

振動周期:5gauss

振動周期:4.8gauss

臨界電流とコンダクタンスの

  振動周期がほぼ一致

10000gauss 0gauss
平行磁場に対するコンダクタンスの振動(10000gauss→0gauss)平行磁場に対するコンダクタンスの振動(10000gauss→0gauss)

約9500gauss以降では振動が消失

振動周期94gauss

slide21
Al薄膜の臨界磁場

平行磁場を印加した場合のAl薄膜と臨界磁場の関係

薄膜化により、超伝導臨界磁場が増大

9000gauss

平行磁場を印加した場合の振動の消失は

Al薄膜の超伝導臨界磁場を超えたため

250Å

R.Meservey and P.M.Tedrow. J.App.Phys.42,51 (1971).

squid22
マイクロSQUID作製のまとめ

・トンネル接合型マイクロSQUIDの作製に成功した。

・ゼロバイアス抵抗がゼロでないという特性を持っていた。

  ⇒電気容量が小さい、トンネル抵抗が大きい、熱雑音が大き   いため。

・コンダクタンスの垂直磁場に対する応答は5000gaussまで、平行磁場に対する応答は9500gaussまであった。

  ⇒Al薄膜が臨界磁場を超え、超伝導性が失われたため。

・従来のSQUIDに比べて、磁場に対するSQUID動作領域の拡大が確認された。

マイクロSQUIDを測定に利用できそうだ。

squid23
マイクロSQUIDを利用しての超伝導体へ侵入する渦糸の観測マイクロSQUIDを利用しての超伝導体へ侵入する渦糸の観測

超伝導体の条件:第二種超伝導体であること

            薄膜を作りやすいこと

Tcが高いこと

CF4による反応性イオンエッチングが可能であること

In(4.0K)、Sn(3.7K)、Pb(7.2K)でエッチング可能か検証実験

Pb(第二種超伝導体)

Tc=7.2K

CF4による反応性イオンエッチングが可能

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Pb微小超伝導ディスクの作製プロセス

1.透明基板:マイカにPbを35nm真空蒸着

      (蒸着中マイカを冷却する)

2.ネガレジストを塗布し、電子線リソグラフィーを行う

3.現像  (描画した部分がPb保護膜として残る)

4.CF4による反応性イオンエッチング(不要なPbを除去)

5.Pb微小超伝導ディスクを得る

slide25
Pbディスクの走査型電子顕微鏡画像

直径2μmの円形

底辺が5μmの三角形

一辺が10μmの四角形

pb squid
Pb微小超伝導ディスクとSQUIDループを重ねる様子Pb微小超伝導ディスクとSQUIDループを重ねる様子

マスクアライナを使用

SQUIDとディスクはグリスで固定する

⇒上手くいかない

測定まで至らなかった。

slide27
まとめ

マイクロSQUIDの性能

 ループサイズ:4μm2

 動作磁場:垂直5000gauss 平行9500gauss

 動作温度:1K以下

 ジュール発熱:10-14W

今後の研究

 マイクロSQUIDを利用した実験手法の確立

ex.微小超伝導体中の渦糸、単一ナノ磁性体の磁化率

slide29
RSJモデル

電流保存の式

ジョセフソンの加速方程式

洗濯板ポテンシャル中の仮想粒子の運動に帰着

ジョセフソン接合の等価回路

準安定点に留まる;超伝導状態

転がり落ちる;電圧状態

RSJモデルによってジョセフソン接合の直流電流源、交流電流源(シャピロステップ)に対する応答を説明することができる