JPH01313977A - ジョセフソン接合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はジョセフソン侵入長の２倍以上の接合長を有す
るジョセフソン接合素子に関する。

〔従来の技術〕

第３図は従来のジョセフソン接合素子を示す模式図、第
４図（イ）は第３図のＩＶ−ＩＶ線による断面図であり
、図中１１．１２は超伝導電極、１３はバリヤ材を示し
ている。両超伝導電極１１．１２はその端部をその間に
絶縁体、半導体、又は金属等の導体で構成されるバリヤ
材１３を挟み込んだ状態で重ね合わせ接合されている。

このようなジョセフソン接合素子における超伝導電極１
１．１２及びバリヤ材１３をトンネル効果によりながれ
る電流は第４図（ロ）に示す如くである。

第４図（ロ）に示すグラフは横軸に第４図（イ）に示す
接合長、具体的には接合部の幅方向各部の位置を、また
縦軸に接合部の電流密度をとって示してあり、このグラ
フから明らかなように電流密度は接合部の幅方向の両端
から中央部側に向けて夫々一定長λｊ　（ジョセフソン
侵入長という）の範囲で大きく、他の部分では極めて小
さくなっており局在化している。このため接合部を流れ
る電流は接合長が２λｊ程度、最大でも３λｊ程度で飽
和状態となる。

なお、このジョセフソン侵入長λｊは下記（１）式％式
％ λ　：磁界侵入長　　ｔ：バリヤ材の厚さｊｏ：接合部
を流れる電流密度 第５図はジョセフソン接合素子を構成する超伝導電極１
１．１２の接合部上に臨ませて超伝導電極１１゜１２の
延在方向と直交する方向に制御線１４を配置し、制御線
１４を流れる電流１ｃにて形成される磁界により、ジョ
セフソン接合素子をスイッチング動作させる、所謂磁界
制御型ジョセフソン・スイッチングゲートとして構成し
た場合を示している。

第６図はその等価回路図であり、Ｌ、、　Ｌｔは夫々制
御線１４、接合部の各インダクタンスを示している。制
御線１４に流す制御電流１ｃによって形成される磁界に
よりジョセフソン接合素子の接合部に流れる最大電流は
第７図に示す如くである。

第７図は横軸にり、ＩＣ／Φ。を、また縦軸に接合に流
れる最大電流をとって示しである。

而してスイッチング動作は次の如くに行われる。

先ず超伝導電極１１．１２にその最大電流Ｉ０よりも僅
かに小さな直流電流１ｇ（Ａ点）を流しておき、この状
態で制御線１４に入力信号電流ｉｃを通流させて接合部
に磁界を加え、この磁界の作用で接合部を流れる最大電
流を減少させる（Ｂ点）。これによって動作点が闇値曲
線以上となり、接合部は零電圧状態から有限電圧状態に
切り替わり、スイッチング動作が行われる。

ところでこのようなスイッチングゲートが安定に動作す
るための条件は制御線１４に入力信号電流Ｉｃ　（又は
入力磁気り、Ｉｃ）を印加したとき、出力電流即ち超伝
導電極１１．１２、バリヤ１３を流れる電流ｒｇがＩｃ
よりも大きくなること、換言すれば電流利得が１以上と
なることである。この電流利得の条件は各制御線１４、
接合部のインダクタンスをり、＃Ｌ、＝Ｌとし、また接
合部は良好な結合状態にあるものとすると磁束量子Φ。

を印加したときの出力電流１ｇの最大変化量は１０程度
であるがら磁束量子Φ。を印加するための制御線１４に
対する電流をＩｃｅとして下記（２）式の如くに与えら
れる。

■。

ＬＩｃ、＝Φ。であるから、（２）式は下記（３）式の
如くに書き直せる。

Ｌｌ、≧Φ。　　　　　・・・（３） （３）式は１．＝ｊ、　ａ　”（但しａ２：接合面積）
の関係式及び（１）式に基づき下記（４）式の如くに表
される。

ａ≧Ｆ丁Ｔλｊ　〜２．５　λｊ　　＝（４）（４）式
から明らかなように１以上の電流利得を得るためには接
合長の最小寸法は２〜３λｊとすることが必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで上述した如〈従来のジョセフソン接合素子を磁
気制御型スイッチングゲートとして用いる場合、接合長
はジョセフソン侵入長λｊの２〜３倍以上を必要とし、
しかも接合を流れる電流は接合長がジョセフソン侵入長
の２〜３倍程度で飽和し、第７図に示す接合を流れる電
流Ｉ０は大きく出来ないこととなる。

しかしこのようなレベルの接合電流では、例えば熱雑音
、磁気雑音が生じたときは僅かな変化でも影響が大きく
安定した動作が得られないという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みなされたものであって、その
目的とするところは磁気雑音、熱雑音によって接合部を
流れる電流が僅かな変動を受けても安定したスイッチン
グ動作が得られるようにしたジョセフソン接合素子を提
供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るジョセフソン接合素子は、少なくとも一方
の超伝導電極の接合部にスリットを設ける。

〔作用〕

本発明にあってはこれによって超伝導電極の接合部両端
側及びスリットの幅方向両端側から夫々ジョセフソン侵
入長λｊの範囲にわたる領域で接合を流れる電流を局在
させ得ることとなる。

〔実施例］ 以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。

第１図は本発明に係るジョセフソン接合素子（以下本発
明素子という）の模式図、第２図は第１図の■−■線に
よる拡大断面図であり、図中１゜２は超伝導電極、３は
バリア材を示している。両部伝導電極１．２はその延在
方向における端部間に絶縁体、半導体、主に金属等の導
体からなるバリヤ材３を挟み込んだ状態で重ね合わせて
あり、バリヤ材３を挟み込んだ部分の各超伝導電極１゜
２の端部には夫々その延在方向の端面中央部から延在方
向に各１個の所定長のスリットｌａ、　２ａを形成しで
ある。超伝導電極１，２の幅方向の両端Ｐ。

ｑからスリットｌａ、　２ａの幅方向の両端ｍ、ｎまで
の幅寸法はジョセフソン侵入長１３以上、望ましくは２
λｊ以上とするのが望ましい。

スリッ目ａ、　２ａの幅、長さについては特に限定する
ものではなく、例えば長さは、通常超伝導電極１．　２
の重ね合わされている端部の長さ以下である。また上記
実施例では各超伝導電極１，２にスリットｌａ、　２ａ
を各１個設けた構成を説明したが、少なくともいずれか
一方の超伝導電極に形成してもよく、また、スリットの
個数は接合長に合わせて複数個設けてもよいことは勿論
である。

而してこのような本発明素子における接合部を流れる電
流は第３図に示す如くである。第３図は横軸に接合部の
幅方向各部の位置を、また縦軸に電流密度をとって示し
てあり、このグラフから明らかなようにスリットｌａ、
　２ａの左、右夫々にジョセフソン侵入長λｊの２倍以
上の幅にわたって、換言すれば４λｊ以上にわたって高
い電流密度の得られる領域が形成されることとなり、超
伝導電極１，２、バリヤ３を流れる電流の最大値Ｉ０を
大幅に高め得て、磁気雑音、熱雑音による影響を相対的
に低減し得ることとなる。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明素子にあってはジョセフソン侵入長λ
ｊの２倍以上の接合長を有する超伝導電極の少なくとも
一方の端部にスリットを設けたから、接合を流れる電流
が極めて大きく、例えばスイッチング素子として利用し
た場合において、磁気雑音、熱雑音により接合部を流れ
る電流が微弱に変化しても安定に動作させることが出来
るなど、本発明は優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明素子の模式図、第２図（イ）は第１図の
■−■線による拡大断面図、第２図（ロ）は本発明素子
の接合長方向各部の電流密度分布図、第３図は従来素子
の模式図、第４図（イ）は第３図のＩＶ−ＩＶ線による
拡大断面図、第４図（ロ）は従来素子の接合長方向各部
の電流密度分布図、第５図は従来素子を磁界制御型のス
イッチング素子として構成したときの模式図、第６図は
第５図に示す従来素子の等価回路図、第７図は第５図に
示す従来素子の電流特性図である。 １．２・・・超伝導電極　　　３・・・バリヤ材ｌａ、
２ａ・・・スリット なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、バリヤ材を２つの超伝導電極で挟んで形成され、そ
   の接合長をジョセフソン侵入長の２倍以上としたジョセ
   フソン接合素子において、少なくとも一方の前記超伝導
   電極の接合部 分にスリットを設けたことを特徴とするジョセフソン接
   合素子。