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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. 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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トンネル接合型マイクロ SQUID の開発と磁場応答

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  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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）

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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)

  9. 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

  10. 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)

  11. 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

  12. 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）

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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。

  19. 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

  20. 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

  21. 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).

  22. 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。

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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。

  27. 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

  28. 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

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