JPH0418775A - 超伝導性光伝導基本物質Ｃｕ２Ｏ系材料を用いた超伝導オプトエレクトロニクス装置 - 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、Ｃｕ系酸化物超伝導材料と、その臨界温度以
下の温度で並行して光伝導現象を示す超伝導性光伝導基
本物質Ｃｕ、０よりなる゛超伝導オプトエレクトロニク
ス装置゛′に関するものである。

（従来の技術） 超伝導材料の開発に伴い種々の超伝導材料が見い出され
ており、例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物や１、、
ａ　−Ｃｕ　−０系酸化物超伝導材料が見い出されてい
る。

しかしながら、現在の超伝導材料の開発は、臨界温度を
高めることが目的とされ、光学的性質の解明、特にその
利用かなされていないのが現状である。この理由は、超
伝導性と、光吸収性並びに光伝導性等とは相反する物性
であると考えられており、ＢＣ３理論のギャップエネル
ギー以上の波数の光を照射することにより超伝導体の安
定性が破壊されるものと考えられていたことによる。さ
らに、これまでに開発された超伝導材料は主として金属
やそれらの合金であり、光学的に有益な性質を有する超
伝導材料は、いまだに判明していない。

しかしながら、最近の高温超伝導酸化物材料と、その臨
界温度以下の温度で特有な光学的性質を有する超伝導性
光伝導材料とを組み合せれば、超伝導配線などを背景に
持ちなから撮像素子は勿論のこと、電力損失のないスイ
ッチング素子や光演算素子を実現でき、光論理演算や空
間並列型光演算が可能になり、低電力で作動する高速演
算装置を実現することかできる。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、現在の超伝導の研究は臨界温度の上昇
を主目的としている。しかしながら、本発明者は、超伝
導に関する種々の実験及び解析の結果、亜酸化銅（ＣＬ
１２０）かＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物、Ｌａ−Ｃｕ−
０系酸化物よりなる超伝導材料の臨界温度以下で並行し
て光伝導性を生ずると云う予期し得ない顕著な効果を有
することを見い出した。すなわち、この酸化物は、常温
では電気的絶縁性または半導体的性質を呈するが、この
酸化物と関連する酸化物超伝導材料の転移温度以下の温
度においては入射光量に応じたキャリヤが発生し、その
伝導率か変化する光伝導性を有していることが判明した
。従って、例えば超伝導性光伝導状態にある亜酸化銅Ｃ
ｕ２Ｏと、これと関連する超伝導状態にある酸化物、た
とえばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物又はＬａ−Ｃｕ−０
系酸化物とを組み合せることにより電力損失のない有益
な超伝導オプトエレクトロニクス素子を構成することが
できる。ここで、超伝導オプトエレクトロニクス素子と
は、超伝導性材料とその臨界温度以下の温度で光伝導性
を有する超伝導性光伝導基本物質とを組み合せたオプト
エレクトロニクス素子をいうものとする。

従って、本発明の目的は、従来技術とその問題点を解決
しようとするものでなく、本発明者か新たに見い出した
超伝導性光伝導基本物質、すなわぢ超伝導領域につなが
る材料の特有の光学的性質を有効に利用した超伝導オプ
トエレクトロニクス素子及び装置を提供するものである
。

（問題を解決するための手段） 本発明による超伝導オプトエレクトロニクス素子及び装
置は、臨界温度以下の温度条件下において超伝導状態と
なる電極領域と、これら電極領域の間に形成され、上記
臨界温度以下の温度条件下において並行して光伝導性と
なる受光領域と、上記電極領域間に接続したバイアス源
とを具え、前記電極領域をＣｕ系超伝導材料で構成し、
前記受光領域をＣｕ２Ｏを含む超伝導性光伝導材料で構
成し、前記受光領域に入射する光量に応じて前記電極間
電流か制御されるように構成したことを特徴とする。

（作　用） 本発明者は、各種超伝導性材料についてその超伝導性並
びに光学的性質について実験解析を行なった結果、種々
の超伝導材料においては、その転移温度以下の温度にお
いて超伝導性と並行して光伝導性を呈することを見い出
した。すなわち、例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物及
びＬａ−Ｃｕ−０系酸化物においては、その転移温度以
下においてＹ、　Ｌａ、　Ｂａの含有量に応じて超伝導
性材料どなることが知られている。一方、上記のような
光伝導性も発見されている。さらに最近、本発明者は亜
酸化銅Ｃｕ、０において、同様なしかしより基本的な現
象を発見した。

第１図はＣｕ２Ｏよりなる酸化物が超伝導性光伝導性を
示す典型的な実験結果である。第１図（ａ）は本発明者
が基本物質と考えるＣｕ２Ｏの光伝導応答の温度依存性
を示し、第１図（ｂ）は　従来から知られているＣＬＩ
２０の光吸収応答の波長依存性を示す。

本発明者は、Ｃｕ２Ｏよりなる酸化物について種々の実
験及びその解析を行なった結果、励起光波長λ４５０〜
７００　ｎｍ及びＴ≦２５０にの温度領域の条件におい
て超伝導性光伝導を示すことを見出した。すなわち、Ｃ
ｕ２Ｏ系酸化物においては上記の波長λ及び温度Ｔの範
囲においては超伝導性光伝導を示し、ｍｉ記超超伝導体
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系又はＬａ−Ｃｕ−０系酸化物）の
転移温度以下の温度Ｔにおいて光伝導を示すことを新規
に知見した。

第１図（ａ）及び（ｂ）は基本物質であるＣｕＪにおけ
るＱ（λ、Ｔ）の温度依存性及び吸収係数に（ｃｍ−’
）の波長依存性を示す。

基本物質であるＣ　ｕ　、、　Ｏの光吸収、及びそれに
よる光伝導はよく知られた波長依存性を示し、　６２０
ｎｍより短波長側に移行することに従って光応答性が徐
々に増大するか、６００ｎｍ以下では急激に増大する。

しかし、一方６５０ｎｍより長波長側ではほぼ小さいな
がら決まった光応答性を特定の波長以下で示している。

いずれにしても、これらの励起光による光伝導応答Ｑ　
（Ｔ、　　λ）かまたある特定の温度Ｔ　ｐｓ以下で成
長し、しかもその温度がＣｕ系の酸化物超伝導材料での
超伝導転移温度Ｔ　ｓｃと対応していることか発見され
た。そこで、このように超伝導転移温度と対応した温度
以下の温度で光伝導性を有する材料と、転移温度以下の
温度で超伝導性を有する材料とを結合すれば、臨界温度
以下の温度において超伝導性と光伝導性を併有する有用
な超伝導オプトエレクトロニクス素子を実現することか
できる。従って、受光領域を超伝導性光伝導性料で構成
し、電極領域を超伝導性材料で構成すれば、電極間にお
いて受光領域に入射する光量に応じた出力電流を取り出
すことができ、これにより電力損失のない高速応答でき
る光スイツチング素子、光検出器、光増幅素子等の“′
超伝導オプ１−エレクトロニクス素子″゛及び“超伝導
オプトエレクトロニクス装置パを実現することができる
。

（実施例） 亜酸化銅ＣＩＪ２０は古典的なｐ型半導体の１つである
。そこで、本発明の基礎であるその光伝導現象の実施例
から述べる。この物質の光学的及び格子振動的視点から
の諸性質はよくしらべられている。

それにもかかわらず、この物質の真性半導体としての電
気伝導機構、特に室温より以下の低温領域にお（づる伝
導機構は明確には解明されて来ていない。

（１）　　ＣＬＩ２０の多結晶及び単結晶における正孔
のＨａｌｌ易動度については、これまでもいくつかの実
験か行われて来ていて、格子振動による散乱や、格子欠
陥の影響なとかじらへられて来ている。亜酸化銅は単位
胞に６ケの原子をもち、４，２にでもそれぞれ１５３　
ｃｍ−’、　６６０　ｃｍ−’の波数に２つの１，０−
フォノンモード（光学型格子振動様式）をもつことか知
られている。これまての正孔の易動度の研究では７２０
０Ｋから３００Ｋに及ぶ温度領域では、主要な散乱原因
は高い波数または振動数のＬＯフォノンであるとされて
いる。しかし、これまでの研究者達による有極性ＬＯフ
ォノン散乱の解析は、すべて単位胞に２ケの原子をもつ
２原子結晶格子に対してつくられた理論に基礎をおいて
いる。したがって、その結果として出て来る結論はまっ
たく不満足なものである。特に、低振動数１．０フオノ
ンの影響は適切にしらべられて来たことがない。低温に
お（プるこの物質の高抵抗性つまり絶縁体的性格のため
に、これらのすへての測定は、液体窒素温度７７にある
いは１００ＫＪａ上に限られ来た。より低い温度領域に
おける知識か不足していることが、散乱機構の同定にあ
いまいさをいつも残して来ていた。

発明者は独自の研究を行い、４．２に〜７７Ｋ、さらに
は４．２〜３００Ｋに及ぶ温度領域てのＣｕ２ＯのＦ７
＋価電子帯に光励起によってつくられた正孔（第２図に
示す重い正孔）のホール易動度の測定結果を得た。ＬＯ
フォイン散乱の解析を゛多原子格子（ｐｏｌｙ−”　ｓ
ｔｏｍｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ）”での担体−格子相互作
用の理論にもとついて行い、Ｃｕ２Ｏにおける正孔の真
性的散乱機構を４．２に〜４００Ｋに及ぶより広い温度
領域で初めて明らかにした。

亜酸化銅Ｃｕ２Ｏ多結晶はこれまでと同様の方法で作製
した。高純度の銅板を空気中で１０３０°Ｃて酸化させ
、１１３０°Ｃで焼鈍した後除冷する。試料の大きさは
５　Ｘ　５　Ｘｏ、５　ｍ［１１３で作製後、機械的お
よび化学的に研磨を行う。

さて、たとえば７７に以下の低温では、ＣＬＩ□０の電
気抵抗は非常に大きくなる。このような温度領域では、
殆んどの半導体での電流磁気効果の測定に広く利用され
ている接触電極を用いた標準的方法では、信号雑音比（
Ｓ／Ｎ比）が小さ（悪くなることや、電極の非オーム性
などのために測定が著しく困難になる。そこでホール易
動度の測定には我々はイオン性結晶でのポーラロンの運
動問題についてかねてから発展させて来ていたブロツギ
ング電極を用いてパルス光伝導測定技術をＣｕ２Ｏにつ
いて採用した。用いられた電極配置は第１−（ａ）及び
（ｂ）図に示されている。

第２図は亜酸化銅ＣＬ］２０の光吸収スペクｌ−ルを説
明するための模式図である。”Ｒｅｄ　ｅｄｇｅ”と呼
ばれている吸収端は、”Ｙｅｌｌｏｗ　ｅｘｃｉｔｏｎ
”と呼ばれている励起子のＩＳ帯への電子の直接遷移に
よるものである。一方この物質が禁止帯の内部に第２図
に模式的に描かれているように非化学量論的な”Ｎｏｎ
−３Ｎｏｎ−３ｔｏｉｃｈｉｏ　”に起因するいくつか
の局在エネルギー準位を持つことは、よく知られている
。そこでこの結晶を”Ｒｅｄ　ｅｄｇｅ”より長い波長
をもつ光で励起しても、価電子は局在単位へ励起され主
としてＦ＋７−価電子帯に正孔か生成される。ｐ＋８帯
を入れての全体としての電子配列は光励起の後にはＣｕ
（３ｄ）の状態となる。この波長領域での吸収係数は非
常に小さいので、正孔は、結晶内で殆んと一様に励起さ
れ分布していると考えてよい。

パルス光伝導測定での光源としては、第４図に示したよ
うにＮ２レーザー励起により発振させることが出来るパ
ルス幅５ｎｓｅｃの色素レーザーか用いられλ。、　＝
　７００ｎｍの発振波長で用いられた。観測された光伝
導応答Ｑｘ及びホール信号Ｑアは担体がレーザ光に同期
して測定した。その結果は、光励起で生成した確定的に
正孔であることを示している。光励起によってつくられ
た自由正孔の密度は１０’　ｃｍ””の桁の大きさであ
る。温度Ｔは、標準的なＡｕ＋０．７％クロメル熱電対
を試料に固定させて指示させた。低温における正孔の易
動度はかなり大きいので、正孔の速度か物質の音速を越
えたりしないように、印加電場を設定するなど特別の注
意を払った。磁場は超伝導磁石を用いて印加した。また
、空間電荷層の形成の影響を除去する（ｄｅｐｏｌａｒ
ｉｚｅ）ためのさらに長波長の光（λ＝　８００ｎｍ）
がかさねて照射された。

第５図は、低電場Ｅ、弱磁場Ｈ内にあるＣｕ２Ｏの正孔
による光伝導信号Ｑ　（Ｔ、　　Ｅ、　Ｈ）及びホール
信号Ｑア　（Ｔ、　　Ｅ、　）（）の温度依存性を示す
典型的な例である。ここて記号Ｑ工は電場Ｅ８方向の光
電流信号、Ｑｙは電場Ｅ８と磁場Ｈ０の両方に垂直なＹ
方向のホール光電流信号をあられし、ともにこの場合時
間的には積分されている。先に述べたとおり、Ｑアの極
性は担体か正孔であることを明確にしている。誰でも気
かつくことであるが、温度を減少させて行くとしも出現
、増大するがＱアの方かより急激に増大する。高抵抗物
質でのパルス測定では、ホール易動度μｍは、電圧では
なく電流の相対比（Ｑ、　／Ｑ工）から計算されるので
、これは正孔の易動度か急激に増加することを示唆して
いる。

第５図のデータにもとづいて行われた正孔のホール易動
度μｍの計算結果は、第６図に示されている。最低温度
における正孔の易動度の最高値は実に１６０，０００　
ｃｍ２／Ｖ　−５ｅｃにも達する。正孔の易動度の温度
依存性は、定性的には標準的理論に比べることによって
理解し得る。第６図に示されたように、２０により以下
では観測された易動度は殆んど温度に依存しない。これ
は、この温度領域では中性不純物散乱か支配的であるこ
とを示している。４０に以上では、ホール易動度μｍ、
が（１／Ｔ）に対して大体指数関数的依存性をもつこと
が認められ、これは有極性ＬＯフォノン散乱が優勢にな
ってきたことを示唆している。ここでこの直線の勾配は
かなりゆるやかであり、比較的小さいエネルギーのＬＯ
フォンが関与していることか解る。

Ｃ１１２０の詳論的な解析にもとづ（格子力学的考察に
よればこの結晶構造は２ケの異なる振動数の長波長モー
ドが存在する。１”＋５対称性のために、これらの中で
４つのフォノン様式（縮退した２つのＴＯフォノン様式
と、縮退していない２つのＩ、０〕ネオノン様のみ）か
誘電分極を伴う。これらの有極性光学型フォノンの室温
と低温における振動数は、発光、赤外分光、共鳴ラマン
散乱の研究によって確立されている。これらの中で担体
の散乱に関与するのは主として２つの様式のＬＯフォノ
ンである。

ぞこで、ここては゛多原子結晶′″であるＣＬ１２０で
の正孔の易動度の温度依存性における散乱機構の詳細を
しらべるに際しては、２つのＬＯフォノン様式による散
乱と、中性不純物散乱、それに３０に近くの温度領域で
有効な音響型ＬＡフォノン様式による散乱を加えて議論
することか適切であろう。

第６図の実線（ｄ）は、この様にして得られる最適曲線
を表わしている。その際、得られた変形ポテンシャルの
推定値はＦ＋。−価電子帯の中心で約０．７ｅＶと小さ
く、大きくとも１ｅＶを越えないことか判った。

第７図には、ＴａｚｅｎｋｏｖとＧｒｕｚｄｅｖ及びＺ
ｏｕａｇｈｉの結果とともに上に述べた第６図の実験の
解析結果か示されている。１００に以上の温度領域での
解析のためには低い波数１５３ｃｍ−’のＬＯフォノン
散乱では低温近似を用いることは出来ない。なお、これ
らの計算では、ＬＯフォノンエネルギー自体、正孔の有
効質量の値、それに伴う正孔−格子結合定数などの温度
依存性は別として低振動数のＬＯフォノンに対しては低
温での値を、高振動数のＬＯフォノンに対しては室温で
の値を仮定する。

第７図の実線（ａ）は、正孔に対する中性不純物散乱、
音響型フォノン散乱、それに特に低振動数と高振動数の
２つのＬＯフォノン散乱の組合せによって計算されたも
のである。比較のために、高振動数のＬＯフォノン散乱
がない場合の結果を破線（ｂ）で示した。容易にわかる
よに１００Ｋ以上では高振動数ＬＯフォノンの影響が顕
著である。

以上を要約すれば、本発明者は亜酸化銅Ｃｕ２ＯのＦ＋
７価電子帯の正孔の真性半導体としての散乱機構を４．
２Ｋから４００Ｋに及ぶ、これまでより広い温度領域で
研究して来た。特に２つのＬＯフォノンモード、低い振
動数１５３　ｃｍ−’のソフトモードと高い振動数６３
８　ｃｍ−’のハードモードの影響を初めて゛多原子格
子′°での担体−格子相互作用の理論との対比で明確に
した。４０Ｋから１００Ｋまでの温度領域では、ソフト
モードＬＯフォノンの効果が顕著であり、 １００に以上ではハード・モードＬＯフォノンの影響が
現われる。２００に以上てこの物質では、準安定捕獲状
態による易動度の抑制効果がありうる。４０に以ト１０
０に以下では、正孔の散乱は、ソフト・モト１．０フオ
ノン、音響型ＬＡフォノン、それに中性不純物の効果の
組合さった結果で定められている。

中性不純物による散乱過程は２０に以下で支配的になり
、また音響型ＬＡフォン散乱の大きさから推定されるＦ
＋７価電子帯の変形ポテンシャル定数の値は０．７±０
．３ｅＶである。しかし、ここでその端緒が見出される
最も大きな特色は第５図でのパルス光伝導度の温度依存
性の結果て、普通の光伝導現象とは逆に、温度を下げて
いくと信号が成長して来る顕著な光伝導現象で、これに
ついては次にさらに研究した結果を述べる。

（２）亜酸化銅ＣＵ２０の主として価電子帯−伝導帯間
遷移（帯間零秒と略称することがある）による光伝導性
については、これまでにも可成りの数による実験的研究
が存在する。

しかし、最近我々は低温でのＣＩＪ２０のｒ＋７価電子
帯に、基礎的成端すなわち価電子帯と伝導帯との間の禁
止帯幅ＥＧよりも小さいエネルギー、つまりより長い波
長λの光励起でつくられた正孔による光伝導Ｑ　（Ｔ、
　　λ）とそれらのホール易動度μ、（Ｔ）に対する新
しい実験結果を（ｑだ（（１）の項参照）。このような
長波長λ’；　７００ｎｍての光励起を゛正孔単独励起
”　（ｓｉｎｇｌｅ　ｈｏｌｅ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
）と以後呼ぶことにする。

しかし、ここで最も注目すべきことは、Ｃｕ２Ｏでのパ
ルス光伝導Ｑ　（Ｔ、　　λ）の温度依存性には。

他の酸化物系合物たどえばＬａ−Ｃｕ−０、Ｙ−Ｂａ、
−Ｃｕ−０の場合と同様な驚くべき異常な振舞、すなわ
ち温度を下げて行くと普通減少し消滅して行＜Ｑ（Ｔ。

λ）か逆に段階的に続けて現れて来るという現象である
。これらの現象は、ＬＯフォノン雲や他の価電子による
電子雲を伴った正孔ポーラロンや、他の場合によっては
伝導電子ポーロランか正孔単独励起や帯間遷移の光によ
って生成され、それらのパ飛程（Ｓｃｈｕｔ）ｗｅｇ）
　”　ツまり易動度μｄと寿命τ１の積がある限度以下
では特別の理由で大きく延長されることによっている。

この飛程の異常な延長は正孔の新しい状態への本質的な
意味での凝縮か起っていることを啓示している。しかも
驚くべきことはこれらの光伝導信号Ｑ　（Ｔ、　　λ）
の出現温度や階段温度Ｔｐｓどその関連物質である酸化
物超伝導体の臨界温度Ｔ、。とは一致するか少なくとも
よく対応している。普通の物質ではＱ　（Ｔ、　　λ）
は温度を下げ行くと指数関数的に減少するのと比へて、
これはまったく逆の現象である。そこてこのような異常
な光伝導現象を″超伝導性光伝導（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ
ｕｃｔｉｖｅ　Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）
”と呼ぶことにする。

既に発明者は、Ｌａ−Ｃｕ−０、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系
で、正孔を生成することに対して光励起によるドーピン
グがＢａ、　Ｓｒ−ドーピングと同等であるという考え
方を確立している。したかってＱ　（Ｔ、　　λ）の実
験結果を綜合してみると、波長選択により注意深く光励
起されたＣ　ｕ　、０の励起状態での新規なパル光伝導
性″は、先にＬａ−Ｃｕ−０、Ｙ−Ｃｕ−０、Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ−０系で示されたように、Ｃｕ−系酸化物高温超
伝導体の基底状態での゛超伝導性″°と深い相関をもっ
ていることを確認した。

簡単のために、これまでの所で得られている絶縁性Ｃｕ
２Ｏ単結晶および多結晶、ならびにＹ−Ｂａ−ＣｕＯ系
セラミックス試料の異常なパルス光伝導Ｑ（Ｔ、　　λ
）の実験結果を、従来認められている光伝導（Ｎｏｒｍ
ａｌ　Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｔｙ）を示すＡｇ
Ｃ１単結晶での典型的なデータ例とともに、新たに第８
図（ａ）〜（ｄ）に−括して示す。驚くべきことには、
ＡｇＣｌの場合を除くこれらのすべての実験結果は温度
を下げていくと、明らかに超伝導性光伝導Ｑ（Ｔ、　　
λ）の出現することを示している。また第８図−（ｅ）
は関連した超伝導性物質であるＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の
暗抵抗ρ（Ｔ）の温度依存性を例示したものである。な
おＱ　（Ｔ、　　λ）の温度依存性に関する限りＣｕ２
Ｏではλ。ｘ＃７００ｎｍでの正孔単独励起とλ。、　
勢５２０ｎｍでの帯間励起か同等であることが確認され
た（第１，８図）。そこでこれ以後はしばらく両者を区
別なしに用いることにする。

また、第９図（ａ）、　（ｂ）には、Ｑ　（Ｔ、　　λ
）の波長依存性か示されている。

これまでの結果から、絶縁体領域における光伝導信号Ｑ
　（Ｔ、　　λ）の段階温度Ｔ、ｓと超伝導体領域での
ρ（Ｔ）での臨界温度Ｔ　ｓ　ｃとの間には、第１０図
に示すように深い相関かあることが確認された。

なお、ここでは純粋に凝縮系物理学の基本問題としての
議論の詳細は省略するが、いずれにしても、酸化物系で
の超伝導性光伝導と超伝導現象とは、互いに相補的なも
のでとぢらがより本質的であるとは云えない。

以上の状況の下で、我々は“超伝導性光伝導（Ｓｕｐｅ
ｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｐｈｏｔｏｃｏｒｄｕｃｔｉ
ｖｔｉｙ）　”を先に述べたように定義する。すなわぢ
、本来母体となる絶縁体の光伝導で、関連した伝導性物
質での超伝導転移温度と一致あるいは少くとも対応した
温度以下で出現し、いつくかの段階的部分を示すような
特異な温度依存性を示す光伝導現象を゛″起起伝導性光
伝導色呼ぶ。このような命名は自然なものと考えられる
か、すると、我々はＬａ−Ｃｕ−０、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−
０系と同類の゛超伝導性光伝導パ現象をＣｕ２Ｏでも最
初に発見したということが出来る。このような光励起で
のＣｕ２Ｏでの恐らく励起子を伴い、本質的に凝縮した
正孔系による新規な゛′超伝導性光伝導現象″は、Ｌａ
−Ｃｕ−０、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系のようないろいろな
Ｃｕ系酸化物超伝導体の基底状態でのパ高温超伝導パ現
象と深い相関を持っていることは確かと考えられる。

（３）　　（１）に述べたように、特に低温での亜酸化
銅Ｃｕ２Ｏ結晶を波長λ。エ　７００ｎｍで光学的に選
択して励起した場合の　＋７価電子帯の正孔についてそ
れらによるパルス光伝導Ｑ　（Ｔ、　　λ）と正孔のホ
ール易動度μ、、　（Ｔ）の新しい観測結果を示した。

そこで（２）に述べた状況に対応させて、４．２に〜３
００にというより広い温度領域でのＣｕ２Ｏ結晶内で正
孔のみによるＱ　（Ｔ、　　λ）、μ、、　（Ｔ）のデ
ータの詳細を、３５ＧＨ２帯でのサイクロ１〜ン共鳴の
実験と照合させなから″超伝導性光伝導″を解明するた
めに再検討した。その結果、新しく本質的に大切な情報
を得た。光伝導に寄与する正孔の密度ｎ２（Ｔ）の詳細
をしらへるために、これらのデータを解析することによ
り、我々はＣｕ２Ｏにおける光伝導信号Ｑ　（Ｔ、　　
λ）がその温度依存性でいくつかの階段状変化をする温
度゛′階段温度（Ｓｔｅｐ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）
Ｔｐｓ″“と同様に正孔密度ｎ＝　（Ｔ）が１つながり
の系列をなす゛′下端温度（Ｃｌｅｗ　Ｔｅｍｐｅｒａ
ｔｕｒｅ）、　Ｔｃ　”をもつことを初めて発見した。

これらはともに励起光下にあるＣｕ２Ｏで自由な正孔が
規則的に凝縮して電荷移動型（Ｃｈａｒｇ、ｅ　、ｒａ
、ｎ５ｆｅｒ−ＣＴ型）励起子をつくることによるもの
で高温超伝導の基底状態に密接な相関をもつものである
。

実験に際しては、前に他の目的のために用いられたＣｕ
２Ｏの単結晶及び多結晶か用いられ、その詳細をしらべ
直した。単結晶は銀箔を制御しながら酸化させるか、ア
ーク・イメージ炉内で溶融させて引上げる寸法で成長さ
せた。多結晶は、高純度の銅板を酸化させた後空気中で
焼鈍してつくられた。試料は製作後、機械的及び化学的
に研磨した。

互いに直交し、ともに弱い電場り及び磁場Ｈ２内にある
絶縁性試料での正孔による光伝導信号の２成分Ｑ、ｘ（
Ｔ）、Ｑ、、（Ｔ）　、それにホール易動度μ、　（Ｔ
）を測定するに際して、我々はボーロランの運動問題の
研究でかねてから発展させて来ていたブロッキンク電極
を用いたパルス光伝導測定技術を励起光波長λ。つ（あ
るいはただλ）で採用した。光励起担体の゛飛程（Ｓｃ
ｈｕｂｗｅｇ）’“か多結晶の粒塊内においてさえも、
充分小さくなるように、電場Ｅ、、は弱電場領域に設定
された。光伝導信号Ｑ　（Ｔ、　　λ、Ｅ、、Ｈ□）の
Ｅアー依存性は線型でありこれが上記の条件か成立して
いることを保証している。これらの実験における本質的
な問題点はこれまでの研究で充分検討されていて、５０
ｎｍ〜】μｍのサイズのＡｇＢｒ微粒子結晶の場合につ
いてすらも確かめられている。実施例（１）、　（２）
と異なる新しい部分は、ここでのＱ、、（Ｔ）、　Ｑ、
ｙ（Ｔ）、それにこれらから得られたμ、　（Ｔ）のデ
ータとを注意深く再検討することによって得らねた正孔
密度ｎ、　（Ｔ）の主として温度依存性についてのもの
で次の関係式 ％式％（ に基つくものである。ここでσ、αは弱い外場の極限で
は一定の値をもちホール角は ｔａｎθ（Ｔ）　＝Ｑ、、／Ｑ、、（Ｔ戸ｕ−（Ｔ）Ｈ
，／ｃ　　（３）であたえられる。したかって光伝導に
貢献する担体濃度ｎ　、　（Ｔ）は ＩＦＦ（Ｔ）＝Ｑ−（Ｔ）／ｅ２μ、１（Ｔ）Ｅ、　　
　　　　　（４）でその温度依存性を求めることが出来
る。なおこれ以後我々は記号を簡略化しＱ。＋ＱＸ？を
Ｑｘ、Ｑアと書（ことにする。

ところで後に（５）で示すようにＣｕ２Ｏに対するザイ
クロトロン共鳴の実験は、マイクロ波周波数ｆ−３５Ｇ
Ｈｚ、温度Ｔ＝４．２にで多様な励起光波長λ。〜６１
０．６３０、６９０ｎｍで行われ、共鳴線から求められ
る有効質量の値から、各々の場合の光励起によってつく
られた担体の符号を過去の文献での円偏波による結果と
照合させて確認することか出来る。

第２図では、ＣＩＪ２０の価電子帯と伝導帯の模式的な
エネルギー状態図で励起光波長λ６．．のいくっかの場
合の状況を定性的に示している。

後に第１８−（ａ）〜（Ｃ）図にλ。つのい（っかの値
に対する光励起担体のザイクロトロン共鳴吸収曲線の典
型的な例を示すか、これらの結果は、パルス光伝導測定
でのホール角の符号とよく一致している。

さて、第１１図（ａ）〜（Ｃ）は、新しく測定して補完
され完全な形になった励起光波長λ。−＝　７００ｎｍ
におけるＣＩＪ２０のパルス光伝導信号しくＴ）　、Ｑ
Ｙ（Ｔ）及び励起光によって生成された正孔のホール易
動度μ、、（Ｔ）の結果である。ここで、特につけ加え
られたのは、λ、　ｘ＝　７００ｎｍにおけるＱ、　（
Ｔ）のＴ＝１１０〜３００Ｋにわたるデータである。第
１１図（ａ）ではＱ、、　Ｑアともに１１９に以上では
非常に微小である。しかし、第１１図（ｂ）に示すよう
に１．００倍に拡大すれば有限の大きさをもち、いくつ
かの構造を示している。これらの結果は、第１１図−（
Ｃ）に示されているＴａｎｚｅｎｋｏｖとＧｒｕＺｄｅ
Ｖ及びＺｏｕａｇｈｉ　らのｐ型ＣＵ２０での正孔の易
動度のデータとつき合わせて解析されるべきものである
。実際、（４）式を用いると、励起光によって生成され
た正孔の密度ｎ、　（Ｔ）の相対値の温度依存性を直ち
に導き出すことが出来る。この解析結果は第１２図に示
されている。ただし、ここで相対比（μ、／μｄ）の値
は（３π／８）と１の間の値でｎ、（Ｔ）の変化の幅に
比へると殆んど一定と考えても差支えないものとする。

このようにして求めた結果を見ると、ｎｐ（Ｔ）に認め
られるパ下端温度（Ｃ１ｅ＋ｖ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ
ｅ）、　Ｔｐｃの１つながりの微細構造の系列は、確か
にある物理的意味を示唆している様にも考えられる。そ
こで、以下に若干の考察を行なう。

まず第１に、励起光波長λ。。−６９０〜７１０ｎｍて
励起されたＣｕ２Ｏ結晶内に生成され、パルス光伝導や
ホール易動度それにサイクロトロン共鳴などの実験に関
与している担体かＦ＋７価電子帯の自由正孔の藺和をも
つ集合のみであることは、自ら明確である。ここで、そ
の際光励起された電子の方は、後述する第１８−（ｂ）
図にｇ・２．０８の値の小さな電子スピン共鳴の信号が
認められるように、たとえば銅原子空孔のような結晶格
子欠陥による局在単位に捕獲されている。したかってλ
、、＝７００ｎｍで励起されたときのＣｕ２Ｏの光伝導
現象は、確実にＦ＋□価電子帯の正孔のみの自由運動だ
けに起因している。

これらの正孔かまた浅い捕獲中心に捉えられる可能性も
あるが、これまでの所のような兆候を示す信号は少なく
とも磁気共鳴吸収曲線には認められていない。

第２に、本発明者は、Ｑ　（Ｔ、　　λ）に゛′階段温
度Ｔ１．゛及び励起光によって生成された正孔密度ｎ、
　（Ｔ）に、１つながりの′″下端温度ＴｐｃＩ＋か予
想外に規則正しく配列していることを始めて見出した。

これらは後に実験結果で示すようにいずれも自由正孔の
実空間での凝縮によるものであろう。

普通は帯間励起子は光学的励起により生成され、それは
伝導電子−正孔対で出来ている。しかしここでの状況で
は、運動しうる担体としては正孔のみか生成されていて
、捕獲された電子は後にとり残されている。考え方によ
っては自由な正孔の集合自身が各々電荷移動型の価電子
帯間励起子、あるいはプリルアン帯境界もしくはその（
１／２）の近くの波数をもつ電荷密度波（ＣＤＷ）を伴
っていると見做すことすら出来る。他方、Ｃｕ２Ｏの伝
導帯はＦ。

特性あるいはスピン軌道相互作用を考えに入れた表式に
よればＦ＋６−特性を有しているので、価電子帯内励起
子が、禁止帯幅Ｅ６より下てつくられたとしても、いず
れにせよ多少とも帯間励起子と１１゛λかよ、った特性
を有するにちがいない。光励起てつくられた電子の大部
分は運動出来ないのであるから、ここで現れた光伝導現
象でのＱ　（Ｔ、　　λ）の階段温度Ｔｐｓやｎｐ　（
Ｔ）の下端温度Ｔ、。は帯間励起子よりはむしろ価電子
帯内励起子についての規則に従うことが推定出来る。運
動出来ない電子はどれも光伝導信号Ｑ　（Ｔ）の測定に
寄与することは出来ないのである。

驚くべきことは、これらのＣｕ２Ｏ光伝導における階段
温度Ｔｐ５や下端温度ＴｐｃがＣｕ系酸化物高温超伝導
体の臨界温度Ｔｓｃと明確な相関をもつことである。

結論としてＣｕ２Ｏ結晶内に励起光によっ１ノて生成さ
れた正孔による光伝導Ｑ　（Ｔ、　　λ）や正孔の易動
度μ、、　（Ｔ）の温度依存性の実験結果を注意深くし
らべることにり、λ、ｘ＝７００ｎｍで光励起されたＣ
ｕ２Ｏにおいては温度を下げて行くとＱ　（Ｔ）、　　
μｍ（Ｔ）急激に増加するにもかかわらす光伝導信号Ｑ
（Ｔ、　　λ）にいつくかの゛′階段温度ＴＰ　Ｓ　”
か、あるいはそれから求められる正孔密度ｎｐ　（Ｔ）
に１つながりの新しい″下端温度Ｔｐｃ’“の系列が現
れることを本発明者は世界で最初に知見した。

ＴｐｓやＴ、。の値の１つながりの新しい系列は、励起
光によって生成された自由正孔が、価電子帯内電荷移動
型（ＣＴ型）励起子とともに全体としても運動しうる調
和した集団に実空間で凝縮してしまうものと考えられ、
゛′超伝導性光伝導″′の視点から注目すべきものであ
る。

実際これらかなんらかの意味で凝縮し始めていることは
、光吸収スペクトルにおける黄色系励起子の温度依存性
の凍結や（５）のマイクロ波応答についての結果から再
認識される。

（４）　　ところで、これらＣｕ２Ｏの超伝導性光伝導
の結果を実際に用いる際には、適切な波長領域λと温度
領域Ｔを設定することが必要となる。温度領域について
は、素子を作製する際に併用する超伝導物質で同系統の
Ｃｕ酸化物との関係を考えると、動作温度はＴ　＝　４
．２〜１００Ｋに設定することか望ましく、−吉川いる
励起光の波長としては、吸収係数を考えると、実用的な
波長領域としてはλ−４５０〜６２０ｎｍをとることか
望ましい。そこで例として、以下ではλｅ、　＝　６０
０ｎｍとし、Ｔ＝４．２〜８０Ｋにおいてパルス光伝導
信号Ｑ　（Ｔ、　　λ）の励起光強度Ｔ　６Ｘ依存性を
Ｑ。／　Ｉ　ａｘの形てしらへた。その結果か第１２〜
１４図である。これらの結果から容易に判るように、 Ｑ　（Ｔ、　　λ）　＝ｎ　（Ｔ、　　λ）ｅ２μｄ（
Ｔ）Ｅは、Ｔ　＝　５．０にではμＭ（Ｔ）（その値は
μ４と同程度と考えてよい）が１゜。により急激に減小
することを反映して、■。アに対しては著しい非線型性
を示す（第１３図）。この機構の内容は第１４図に示す
ように、担体の数ｎは■。工に殆ど比例している（プロ
ットａ）。プロワ１〜（ｂ）は（ｎ／　Ｉ　、　、　）
を示す。またそれらの変化分△ｎ（プロットＣ）そのも
のが■。８に依存しているが、△Ｈｔｘ　ｌ　、８′の
関係かあるためその原因は中性不純物濃度を上まわる帯
間励起子の生成に基づく数分機構によるものである。そ
こで線形性も良好で実用上もより高い操作温度を目脂し
てＴ−７７〜８０にでのＩ　ｅｘ−依存性について検討
した。第１５図に示すようにＴ　＝　８０にでは（Ｑ、
／１．、）が殆ど一定、あるいはＱ８はＴ　ｅｘについ
てきわめて良い線形依存性を示す。したかって後に述べ
る超伝導オプトエレクトロニクス素子の材料としてＣｕ
２Ｏを用いるには、Ｙ　−Ｂａ　−Ｃｕ　−０系と組合
わせてＴ　＝　７７にの窒素温度近傍で用いることが最
適であることが理解出来る。

（５）以上はすべて直流パルス電場Ｅ（ω＝２πｆＯ）
に対する結果であったが亜酸化銅Ｃｕ２Ｏ結晶の交流電
場Ｅω、たとえばｆ＝（ω／２π）−３５ＧＨｚ帯など
のマイクロ波に対する応答の観測を、第１６図に示され
る測定装置を用いて行った。特に、その結果得られた７
７にでの応答Ｑω（Ｔ、　　λ、Ｅω。

Ｆ（；　ｔ　）のパルス波形（第１７図）と４．２にで
の磁気共鳴吸収の形を第１８図に示す。

まずマイクロ波光伝導信号　Ｑω（Ｔ、　　λ、Ｅω、
Ｉ−Ｉ；ｔ）の時間を一依存性は第１７図か基本的であ
り、λ、、＝４８７．５８５ｎｍて応答速度は充分高速
である。

第１８図に示した結果は、励起光波長λ。８によって、
サイクロトロン共鳴吸収に寄与している担体か主として
正孔のみであるか、あるいはまた伝導電子をも共存させ
ているかを明確に示している。

また第１９図は、λｅエニー８５ｎｍでサイクロトロン
共鳴吸収曲線の形か励起強度Ｉ　ａｘによってどのよう
に変化するかを例示したもので、高密度光励起状態では
共鳴吸収曲線の線幅か広がると同時に、かなり異なる状
態か実現されていることを示していて、Ｃｕ２Ｏでは初
めて観測されたものである。

一方、これらの結果は、実用的には３〜５ｎｓｅｃ程度
のパルス幅をもつ色素レーザー光励起に対するＱω（Ｔ
、　　λ、Ｅω、Ｈａｔ）の応答速度を示すものとして
理解することが出来、受光領域の材料としてこの様なＣ
Ｕ２０結晶を用いた超伝導オプトエレクトロニクス素子
ないしは装置か充分高速で動作しうる可能性を確実に明
示している。

そこで次に、電極領域の材料として、Ｙ−Ｂａ−ＣｕＯ
系酸化物を例にとり説明する。第８図（ｂ）〜（ｅ）〜
第９図（ａ）、　（ｂ）はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物
の超伝導性光伝導及び超伝導性の実験結果である。第８
図（ｃ）は　Ｙ３−ｘ−Ｂａｙ−Ｃ０：＋−Ｏｚ　（ｘ
・Ｏ）の光応答の温度依存性を示し、第８図（ｄ）はＹ
３−ｘ−Ｂａ−Ｃｕａ−０−（ｘ＝］）の光応答の温度
依存性を示している。第８図（ｅ）はＹａ−ｘ−Ｂａｘ
−Ｃｕ３−Ｏｚ（ｘ＝１−　ｘ＝２）の暗抵抗率の温度
依存性を示す。

一般式Ｙ　３−　ｘ　−Ｂａ　ｘ　ＣＩＪ　ｙ−帆で表
されるＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物においては、Ｂａの
含有量Ｘ及び酸素の含有ｔＥ、Ｚに応じて超伝導性から
光伝導性に移行し、１．２≦ｘ≦２．６．５≦ｚ≦７の
範囲において超伝導性を呈し、０≦ｘ≦１．７．０≦ｚ
≦７．５の範囲においてその転移温度以下の温度で光伝
導性を呈することを見出している。第８図（Ｃ）及び（
ｄ）に示すように、Ｙ：ｌ−Ｘ　Ｂａｙ　Ｃｕ、−０＋
系においてｘ＝０及びＸ＝１においてはその臨界温度以
下の温度において光伝導性を呈していることか明確に確
認されている。これらをまとめた結果が第１０図（ｆ）
であり、広い意味での相関をなしている。

これらの結果により、Ｙ３□−Ｂａｙ−Ｃｕ、−０□系
の伝導１＋１料において０≦ｘ≦１の場合は超伝導性光
伝導材料を構成し、１≦ｘ≦２の範囲において超伝導性
材料を構成することになる。したがって電極領域の材料
としては１．２≦ｘ≦２のＹｚ−、−Ｂａｘ−Ｃｕ３０
工系の材料を用いることかできる。

このような転移温度以下の温度で光伝導性を有する材料
、ここでは特にそれらの基本物質であるＣｕ２Ｏと、転
移温度以下の温度で超伝導性を有する材料、たとえばＹ
ｌ−Ｂａ２Ｃ（Ｊ３−０２とを結合すれば、臨界温度以
下の温度において超伝導性と光伝導性を併有ずろ有用な
超伝導オプトエレクトロニクス装置を実現することがで
きる。従って、受光領域を超伝導材料で構成し、電極領
域を超伝導性材料で構成すねは、電極間において受光領
域に入射する光量に応じた出力電流を取り出すことがで
き、これにより電力損失のない高速応答できる光スイツ
チング素子、光検出器、光増幅素子等の″超伝導オプト
エレクトロニクス装置”を実現することができる。

さて第２０図は本発明による超伝導オプトエレクトニク
ス素子の一例の構成を示す線図的断面図である。本例で
は、超伝導フォトトランジスタ（ＶＧ≠０）として利用
する例について説明する。ＳｒＴｉＯ３またはＭｇＯよ
り成る基板ｌを用い、この基板１上に光伝導性ゲート領
域２を形成する。ゲート領域２は、幅０．２μｍ　〜１
．０　ｍｍで厚さ１〜１０μｍの光伝導性ＣＣｕ２０ｆ
で構成する。このＣｕ２Ｏ層はＹ＋−Ｂａ２Ｃｕ　３−
０．より成る超伝導材料の臨界温度以下の温度で４５０
〜７００ｎｍの励起光波長域で特有な光伝導性をそなえ
ている。ゲート領域２の両側にソース領域３及びドレイ
ン領域４を形成する。これらソース領域３及びドレイン
領域４を、臨界温度９０にで超伝導性を示すＹ＋−Ｂａ
２−Ｃｕａ−０−材料層で構成する。さらに、ゲート領
域２、ソース領域３及びドレイン領域４上に光学的に透
明で電気的絶縁性を有する厚さ１μｍの５ｉＯｚ層５を
形成（ッ、この上にネサガラス層６を形成する。ネサガ
ラス上の電極どソース領域３との間にバイアス源■６を
接続すると共にソース領域３とドレイン領域４との間に
バーイアス源Ｖ　ｓｏ及び出）Ｊ抵抗Ｒを接続する。な
お、Ｙｉ−ｘ−Ｂａｘ−Ｃｕ３−０１の組成をＸ＝Ｏ→
１に連続的に変化させて光伝導性Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系
領域２から超伝導性Ｙ−Ｃｕ−０系領域３，４を構成す
ることも可能であるか、ここでは領域２には、より光応
答Ｑ　（Ｔ。

Ｇ λ）が著しく大きい超伝導性基本物質ＣＩＪ２０を用い
るのか特色である。

上述しまた構成の超伝導オプトエレクトロニクス素子を
Ｙ−Ｂａ−Ｃｏ−０材料層の臨界温度９０に以下の温度
に冷却し、励起波長域の光を照射すると、入射光量に応
じたキャリアがゲート領域２に生成される。生成された
キャリアはソースドルイン間バイアスｖ、Ｄによって加
速され電流となり出力抵抗Ｒに出力電圧が発生する。な
お、光生成ギヤリアは照射光量及びバイアス源ｖＧに応
じて生成密度が定まり、それに比例して１次光電流をあ
たえるＱ　（Ｔ、　　λ）や、ひいては２次光電流すら
定まるから、目的に応じてＶ。を適切に設定することが
できる。このように構成ずれば、入射光量に応じた出力
特性を得ることができ、従って超伝導光スイツチング素
子を実現することができる。特にソース領域及びドレイ
ン領域を超伝導材料で構成しているので、動作時の発熱
を伴なわない本質的な超伝導オプトエレクトロニクス素
子を実現することかできる。

第２１図は、第２０図に示す超伝導オプトエレクトロニ
クス素子をアレイ状に集積化した例を示す線図である。

本発明による超伝導オブトエ１．りｌ・ロニクス素子を
１次元又は２次元アレイ状に高密度に集積化すれば、素
子間の適切な超伝導配線をも背景にしながら動作時の発
熱作用を最小に抑制した撮像素子を実現できると共に、
空間的に並列演算を行なう光コンピュータの信号検出な
どの主要部分を実現することかできる。また用いる光源
の波長選択による多重チャネル化の可能性も考えられる
。

第２２図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
素子を用いて、空間並列光コンピュータにおける投影相
関光学系での光演算を行なう例を示す線図である。アレ
イ状光源１ｏから複数の光信号を並列してマスクパター
ン１１に向けて投射する。

マスクパターン１１には演算処理内容に応じた符号化像
情報かマスク状に形成されており、マスクパターン１１
を通過した複数の光ビームはスクリーン１２を経て複合
マスク受光素子アレイ１３の対応する各素子にそれぞれ
並列に入射する。各受素子にはマスクスクリーンによっ
て変調された符号化信号か形成されるので、各受素子か
らの光電出力信号から演算結果が求められる。受素子ア
レイ１３の各素子を本発明による超伝導オプトエレクト
ロニクス素子で構成すれば、動作時の発熱を最小に抑制
した状態で並列光演算を行なうことができる。

なお、上述した実施例では、３端子素子を例にして説明
したが、２端子素子として利用することもできる。すな
わち、ｖ６二〇で生成されたキャリアは超伝導性光伝導
による超伝導近接効果を有しているから、この超伝導オ
プトエＩノクトロニクス素子は光の照射に基く超伝導ジ
ョセフソン接合素子としても作用させ得ること予測され
る。この２端子素子は、″超伝導性光伝導制御ジョセフ
ソン接合素子パとして位置付けることができる。この場
合には、ゲート幅と入射光量とを適切に選択する必要か
ある。

上述した超伝導性光伝導現象は、以下の機構に基づくも
のと考えられる。第５図および、さらに詳細に第１１図
に示した励起光波長λ、　ｘ＝　７００ｎｍにおけるＣ
ｕ２Ｏのパルス光伝導信号Ｑ　（Ｔ、　　λ）の驚くへ
き振舞は３００に以下、たとえば２２０〜２５０に近く
で現れ、−度消滅しては復活し、そして９０〜１１０に
以下では巨大なまでに成長する。励起光によってつくら
れた正孔の散乱機構は、１００に以下では、主どして最
近接原子同志が主としているω、−１５３ｃｎ＋”の低
振動数ＬＯフォノンによって支配されている。充分弱い
電場で、ｋＢＴ≦ω１．ω２をみたす様な低温の領域に
話を限れば、担体の散乱機構はＬＯフォノン吸収のみに
限られ、それは普通その後ＬＯフォノン放出を伴うこと
になる。すなわち、共鳴散乱（Ｒｅｓｏｎａｎｔ　Ｓｃ
ａｔｔｅｒｉｎｇ）が起こる。しかし、とにかく−たび
そのように強いＬＯフォノンとの相互作用が存在するこ
とを認めるならば、我々はＬＯフォノンの出入を伴った
、したがってそうであれば、超伝導性光伝導においても
゛″同位元素効果“をも当然伴った形で゛ポーラロン効
果″を考えざるを得ない。パボーラロン効果′°は実際
サイクロトロン共鳴の実験で認められているが、少なく
とも見掛は上としても結合定数αはむしろ小さい。しか
しこれは、静的誘電率に８に比べて光学的誘電率に０．
が比較的大きな値をもち、遮蔽効果をもたらしているこ
とによるのであろう。さらに、ＴｏｙｏｚａＷａ　（豊
沢）によって最初に示唆されたように、“′ポーラロン
“という用語は、電子的な素励起つまり励起子によるポ
ーラロン効果という概念すら包含している。したかって
、少なくとも１００に以下でのＣｕ２Ｏにおけるポーラ
ロンとは、ＬＯフォノンと励起子の混成された形のもの
によって生成される独特の形のものである。逆にしかし
同様の考え方に沿えば、Ｃｕ２Ｏにおける価電子帯内の
励起子、あるいは伝導電子−正孔による伝導帯−価電子
帯間励起子は、広い意味での゛ポーラロン状励起子パを
形成しているに相異ないと考えられる。このように考え
ると、これまでにも多くの文献上で述べられている様に
、１００Ｋ以上で、帯間励起子とフォノンの相互作用が
強くな１八それが介入して来るため光学スペクトルか不
鮮明になるという理由も、ホール異動度の実験で検討さ
れたようにω１・６６０ｃｍ　−’の高振動数ＬＯフォ
ノンかあるいはまたω２６４０ｃｍ−’の高振動数ＬＯ
フォノンに起因するものとして自然に理解されるであろ
う。なお、励起子フォノン相互作用についてはより一般
的見地からＴｏｙｏｚａｗａによって理論的に議論され
ている。

第２に、これまでにも述べ特に第１８−（ｃ）図に明確
に示されているとおり、励起光波長λ、ｘ＝６９０〜７
００　ｎｍの場合のＣｕ２０の光励起状態Φ８ｘは、自
由に動きうる正孔としてはＦ７＋価電子帯の正孔のみを
もち、電荷密度波（ＣＤ　Ｗ　）の起因としてはまわり
に一緒に動きうる価電子帯内励起子を伴った正孔のみの
存在を想定すればよいことが確認されている。なお、光
励起で作られた電子の殆どは局在していて動き得ない。

またここで゛帯内励起子パという用語は、必ずしも一電
子近似での伝導電子正孔対を意味するものではなく、む
しろ多体問題の視点から価電子帯内に光励起によって作
られた電子や正孔のまわりの素励起の量子化された形の
ものを意味している。このような１つの実体を、゛′帯
内励起子（ｉｎｔｒａｂａｎｄ　ｅｘｃｉｔｏｎ）”ま
たは゛電荷移動型励起子（ＣＴ−ｅｘｃｉｔｏｎ）”　
、あるいはプリルアン帯境界ないしはその（１／２）近
くの波数の成分を主として有する“電荷密度波（ＣＤＷ
）　”状態、あるいは“′短波長プラズマ振動″の集合
と呼ぶことも出来る。それ故、もしλ、　ｘ＝　７００
ｎｍで励起されたＣＩＪ２０に光励起で作られた正孔た
けにより誘起された励起子を考えるならば、第２３−　
（ａ）図に示されているように、光励起された状態Φ。

。では、ＣＴ型ポーラロン励起子を伴った自由正孔か本
質的な意味で凝縮した集団として存在するに相異ないと
素直に考えることか出来る。しかも、これまでにも議論
されたことかあり、第２３−　（ｂＬ　（Ｃ）図に模式
的に示されているように、この状態Φ。アは、絶縁体Ｙ
Ｃｕ−０の光励起状態あるいはＹ−Ｂａ−Ｃｕ−〇そし
てＬａ−Ｃｕ−０系での超伝導性試料の基底状態Φ６に
きわめて類似のものである。しかもＣｕ２Ｏでは、伝導
帯のｒ’＋−（またはＦ６＋、−）特性をもっとともに
、帯内励起子と帯間励起子では価電子帯か共通の役目を
もっているので、両者は多少とも共通の性格をもってい
る。そこでこの様な議論を充分根拠のあるものと考える
ことが出来る。すなわち価電子帯内励起子が媒介となっ
て多数の正孔ポーラロンか本質的に凝縮し、飛程の延長
された新しい状態になるという状況を充分思考出来る。

第３に、我々はこれまで、数回にわたってＹＣｕ−０，
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０，およびＬａ−Ｃｕ−０系材料につ
いての゛超伝導性光伝導現象″′の発見について報告し
て来た。゛超伝導性光伝導現象″”は次のように定義さ
れる。すなわち、一般の光伝導現象のうち、普通の光伝
導（Ｎｏｒｍａｌ　Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔ
ｙ）では試料の温度に下げて行くと光伝導信号Ｑ　（Ｔ
。

λ）が指数関数的に急激に減少して行くのに対して、上
記の如き、ごく少数の特別な物質系の試料では、逆に特
定の励起光波長λ。８で、温度を下げて行くと光伝導信
号Ｑ　（Ｔ、　　λ）が現れて増加し、いくつかの階段
状変化を示す。また、これらの絶縁性試料における光伝
導の″゛出現温度′”や゛階段温度Ｔ　ｐｓ’”が同じ
系列の伝導性のよい試料での超伝導臨界温度Ｔ　ｓｃと
一致するか少なくともよく対応しているような特性を有
する光伝導を“超伝導性光伝導（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｖｅ　Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）”
と定義する。

このように考えるとＣｕ系物質のＴ　ｐｓやｒ　ｐｃの
値で容易に認められるように、明確に結晶構造が異なる
にもかかわらず、ここて述べたＣｕ２Ｏ結晶そのものの
光伝導についても、それがパ超伝導性光伝導″であるこ
とに必然的に注意が向く。したがって、上記のＣｕ系酸
化物質Ｙ−Ｃｕ−０，Ｙ−Ｂａ−ＣｕＯ，Ｌａ−Ｃｕ−
○系で、以前に我々がＣｕ２０−類似部分と呼んでいた
ものは、決してその内部でＣｕ２０が部分的に析出した
ものではなく、それらの内部のいずれかの部分にＱ−Ｎ
＋　）　　（Ｕ＋Ｎ＋　ｌ　　Ｑ−（１４１のように主
として最近接原子間の領域で、価電子結合の部分か２量
体化（ｄｉｍｅｒｉｚｅｄ）　したものに相異ない。

以上の結果のうち、特にパルス光伝導信号Ｑ（Ｔ、　　
λ）についてのすべての実験結果、すなわち第１．　５
．　８図および第１１図に示されているＣｕ２０のみな
らずＹ−Ｃｕ−０，Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系のＱ　（Ｔ、
　　λ）と暗抵抗ρ（Ｔ）についての温度依存在をすべ
てまとめて考えてみると、ＣＩＪ２０のＱ　（Ｔ）とＹ
　−Ｂａ　−Ｃｕ　−０系のρ（Ｔ）の間に明らかに相
関が存在することを疑う人は誰もいないであろう。つま
り、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系のρ（Ｔ）ての超伝導性のシ
ルエットの形でＣｕ２Ｏに超伝導性光伝導Ｑ　（Ｔ）が
出現すること、あるいは逆にＣｕ２Ｏの光伝導Ｑ　（Ｔ
、　　λ）のシルエットの形てＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の
ρ（Ｔ）に超伝導性か存在することは明白である。Ｙ−
Ｃｕ−０系において正孔を光で生成して添加することは
、Ｙ　−Ｂａ　−Ｃｕ−０系でＢ計添加を行ったことと
本質的に同等である。

それゆえ、最早、光伝導での超伝導性も暗抵抗での超伝
導性も、互いにどちらかか他より本質的であるという筋
合いのものではない。超伝導性光伝導と高温超伝導はち
ょうど写真フィルムのポジとネガのように、互いに相補
的な現象なのである。

波長λ、　ｘ＝　７００ｎｍてのＣｕ２０の光励起状態
Φ。うでは、伝導電子は存在せず自由担体としては正孔
のみが生成されているのであるから、これは超伝導性Ｙ
−Ｂａ　−Ｃｕ　−０系の基底状態Φ６と殆と同等であ
る。このように考えると、Ｌａ−Ｃｕ−○系、ＹＣｕ−
０系、　　Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系て示されたように、励
起光の下でのＣｕ　、０での新規な光伝導の出現かＣｕ
系での高温超伝導と深い相関をもつことは決して不思議
なことではない。

以上に述べたいくつかの実施例をとおして考察すると、
適切な励起光の下では亜酸化銅ＣＬＩ２０結晶はＣｕ系
酸化物を基礎とした高温超伝導体のすべての系に対して
、−貫した基本物質の役目を果していることは明確で、
これは本発明者か世界で最初に知見したものである。

したかってこれ１うの絶縁体Ｃｕ２Ｏ系材料をＣｕ系高
温超伝導体と絹合わせてオプトエレクトロニクス素子を
作製すれば、各々の階段温度ＴＰＳあるいは下端温度ｒ
　ｐｃと臨界温度Ｔ、。の整合性から、それらの温度以
下できわめて調和のとれた、本質的な意味でのパ超伝導
オプトエレクトロニクス素子及び超伝導オプトエレクト
ロニクス ることか可能となるであろう。これらはまったく革新的
な最先端科学技術分野であるパ超伝導オプトエレクトロ
ニクス″という新分野の開拓をもたらすであろう。

さらに、上述した実施例ては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系材
料を用いることを考えたかＬａ−Ｂａ−Ｃｏ−（ｌ系材
料のような別の超伝導光伝導性材料系を用いることもて
きる。例えば、ゲート領域をＣｕ２０の材料で構成し、
電極領域を超伝導性を有するＬａ−Ｂａ−Ｃｕ−０材料
で構成すれば、同様な効果を有する超伝導光伝導オプト
エレクトロニクス素子を実現することかできる。

なお、ここでの主題ではないか、先にも述へたＹ−Ｃｕ
−０，　Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の超伝導性光伝導現象は
、ここでの基本物質ＣＵ２０と深い関係かあり、以下の
機構に基づくものと考えられるので若干ふれておく。第
９図（ａ）及び（ｂ）に示した光伝導のスペクトル応答
Ｑ（λ，Ｔ）はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の試料の内部に、
原子的な意味てＣＩＪ２０と類似する領域か存在してい
ることを暗示している。Ｃｕ２０による光吸収並びに光
伝導性は、実験的にも励起子理論によってもあまり詳し
く解明されてはいない。Ｗａｎｎｉｅｒ型励起子、また
は陽イオン殻内での電荷移動型Ｆｒｅｎｋｅｌ型励起子
の典型的な例であろう。ここでのＱ（λ，Ｔ）における
微細構造の位置はＣｕ２０そのものの基礎吸収端付近の
構造とよく一致している。我々はいくつかの際立った恐
らく励起子によるものであろうと考えられる微細構造を
認めることすら出来る。たとえばＣｕ２０と類似してＹ
−Ｂａ−ＣｕＯ系の光伝導応答スペクトルのλ嬌５８０
ｎｍ近傍にＣｕ２０の黄色系列励起子のｎ＝２状態に対
応するものと考えられる構造か認められる。そこて、Ｙ
−Ｂａ−Ｃｕ−０系の物質の内部には無視することので
きない、少なくとも有限の比率でのＣｕ２０に類似する
相が存在する。そして、そこではそれぞれの結晶構造に
若干の相異をもつものの、光によって励起された伝導電
子と正孔か確かに動きまわれる状態にある（第２３図（
ａ）及び（ｂ）参照）。

標準的なタイプのＣｕ２０結晶内の伝導電子と正孔は、
むしろ′大きいポーラロン“を形成していると考られて
いる。また、Ｃ　ＩＪ　２　０やＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系
絶縁体的試料においては、゛′光伝導性Ｑ（λ，Ｔ）の
出現″”が、″超伝導性の出現″と明確に関係していて
、あたかも超伝導性が光伝導性の現象のうらに潜在して
いるかのように見える。そこでポーラロンの効果につい
ていえば、それがＬＯフォノンとの相互作用にもとづく
′″大きなポーラロン″であろうと、或いはヤーンテラ
ー効果によるパ小さなポーラロン″′てあろうと、また
は両者にもとすく中間結合の領域のものであろうと、あ
るいはまたパ電子分極によるポーラロン効果”′であろ
うと少なくとも潜在的にはポーラロン効果”は重要なも
のであろう。それらポーラロン効果は、コヒーレントに
混成した形での素励起としての複合し７た効果をもって
いると思われる。ここで電子分極によるポーラロンに特
別の注意を払う必要があり、それは別名“励起子ポーラ
ロン′”とも呼ばれているものである。ここでの実験結
果を見ると、ポーラロンや励起子の間に密接な関係があ
ることが認められる。

第２３図（ａ）に示すように、これらのポーラロンや励
起子は、どれも酸素の（２ｐ）とＣｕの（３ｄ）の混成
価電子状態から後に（２１））　６（３ｄ）　９あるい
は（２Ｐ）５（３ｄ）１０ノ配置テパ正孔゛（白丸印）
を残して、ＬＯフォノンとも相互作用をしながら主とし
てＣＬＩの（４Ｓ）伝導帯への帯間遷移によって（４Ｓ
）　’の伝導電子がつくり出されたものである。しかし
、Ｙ３−ｘＢａ。

ＣＵ３０　ｘ系のポーラロンは光学的励起ても、ＹをＢ
ａで置換することでもつくり出すことができる（第２３
図（ｂ）及び（Ｃ）参照、この場合Ｘコ１で超伝導体に
移行している）。Ｃｕ（３ｄ）とＯ（２Ｐ）の混成帯内
の正孔は帯間または帯内いずれの遷移によっても多体系
の基底状態からつくり出すことかできるから、電子間の
相関効果は勿論きわめて重要である。Ｃｕ２＋とＣｕ３
＋の間の動的な価電子揺動もさることながら、Ｃｕ’＋
とＣｕ’＋の間の動的な価電子揺動にも一層注意を払わ
なければならない。それゆえ、高臨界温度をもつ超伝導
機構に刻しては、その大小を問わずポーラロンの集合、
特に励起子と密接に関係した集合の潜在的役割を考える
理由は充分存在するる。ポーラロンと励起子の集合はパ
イボラロン、ポーラロン励起子の集合、および／ま＝５
１　＝ たは最もありそうなのは動的な電子−フォノン相互作用
と同様に動的な電子相関にもとづく、パ励起子媒介のパ
イボラロンパであると考えられる。

第９図（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ
−０系での光伝導応答Ｑ（λ、Ｔ）は第１図（ａ）に示
すＣｕ２０の光吸収応答のスペクトルに極めて類似して
いる。したがって、既に述べたとおりここでの素励起の
研究は厖大なキャリアー密度の差にもかかわらず、超伝
導基底状態の性質を啓示していると考られる。さらに、
第２３図（ａ）及び（ｂ）の素励起状態（絶縁体）にお
いても、第２３図（Ｃ）の基底状態（超伝導体）におけ
るジョセフソン効果と同様な減少の出現か予測できる。

我々の知識の及ぶ限りでは、これらが高臨界温度をもち
反磁性を確かに示すことが知られているＹ−Ｂａ、−Ｃ
ｕ−０系の超伝導性に登場するポーラロンと励起子によ
る機構の最初の明確な実験的証拠である。

（発明の効果） 以」二説明したように本発明によれば、電極領域をＣｕ
系酸化物超伝導材料で構成し、受光領域を上超超伝導材
料の臨界温度と一致または対応して、しかも特に大きな
光伝導性を示す″゛超伝導性光伝導基本材料ＣＩＪ２０
”で構成しているから、高感度で動作でき、しかも動作
時のジュール熱等の発熱作用を最小に抑制した本質的な
意味での゛超伝導オプＩ−エレクトロニクス素子″たと
えばパ超伝導性光伝導制御ジョセフソン接合素子″、゛
超伝導フォトトランジスタ′°などを実現することがて
きる。また、本発明による素子を２次元アレイ状に高密
度に集積化した場合、電極部及びリード部等が完全反磁
性を持つから、これら相互間の電磁的相互作用や外部磁
界による影響を受けず、ノイズの発生伝達を有効に抑制
することかできる。従って、熱的及び電磁的に最良の条
件下で動作できる受光素子アレイを実現でき、例えば高
速演算速度を持つ空間並列光演算装置のような本質的に
すぐれた°゛超伝導オプトエレクトロニクス装置“を実
現が可能である。これらの効果は　“超伝導オプトエレ
クトロニクス″という最先端の科学技術分野をさらに大
きく拓くことを可能にした。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はＣｕ２Ｏの温度に対する光伝導特性を示
すグラフ、 第１図（ｂ）はＣｕ２Ｏの光伝導特性の波長依存性を示
すグラフ、 第２図はＣｕ２Ｏの光吸収スペクトルを説明するための
模式図、 第３図（ａ）及び（ｂ）は光応答測定装置の構成を示す
線図、 第４図は光応答測定装置の回路構成を示す回路図、 第５図はＣｕ２Ｏの光応答特性の温度依存性を示すグラ
フ、 第６図及び第７図はＣＬＩ２０のホール移動度を示すグ
ラフ、 第８図（ａ）〜（ｄ）はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系セラミツ
クスの光応答特性を示すグラフ、 第８図（ｅ）はＹ−Ｂ　ａ　−Ｃｕ−０系セラミツクス
の暗抵抗の温度依存性を示すグラフ、 第９図（ａ）及び（ｂ）はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系セラミ
ツクスノ光応答特性の波長依存性を示すグラフ、第１０
図はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系セラミツクスの超伝導状態か
ら光伝導状態への移行を示す模式図、第１１図（ａ）及
び（Ｃ）はＣｕ２Ｏの光応答特性の広い温度域に亘る温
度依存性及びホール易動度を示すグラフ、 第１２［ｋ（ａ）及び（１））はＣｕ２Ｏのボール密度
と温度の関係を示ずグラフ、 第１３図はＣｕ２Ｏのｔ　ｅｘとし／１．、どの関係を
示すグラフ、 第１４図はＣｕ２Ｏのｆａｘとキャリヤ濃度との関係を
示すグラフ、 第１５図はＣｕ２Ｏの８０Ｋにおける　ｌ　ａＸとＱ２
／Ｉｅ−の関係を示すグラフ、 第１６図はイオン性結晶の光励起状態に対する３５ＧＨ
ｚ帯ナノ病時間分解サイクロトロン共鳴観測装置の構成
を示す線図、 第１７図（ａ）及び（１））はＴ＝７７Ｋ、λ＝４８７
ｎｍ及びλ□、５８５ｎｍにおける観測結果を示ずグラ
フ、 第１８図（ａ）す（Ｃ）はｆ・３５．０　ＧＨｚ、　’
ｒ’４．２に、λ−６１０６３０、６９０ｎｍにおける
Ｃｕ２Ｏのマイクロ波特性を示すグラフ、 第１９図はｆ＝３５　ＧＨｚ、　　λ＝５８５ｎｍ、　
Ｔ＝４．２ＫにおけるＣｕ２Ｏの磁場とＱω（１）との
関係を示すグラフ、第２０図は本発明による超伝導オプ
トエレクトロニクス素子の一例の構成を示す線図的断面
図、第２１図は本発明による超伝導オプトエレクトロニ
クス装置の一例の構成を示す線図、 第２２図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
素子アレイを用いた空間並列演算装置の構成を示す線図
、 第２３図（ａ）〜（Ｃ）はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系セラミ
ツクスのエネルギー（Ｅ）と状態密度Ｎ（Ｅ）との関係
を示す模式図である。 ■・・基板　　　　　　　２・・ゲート領域３・・・ソ
ース領域　　　　４・・・ドレイン領域■１　・・ゲー
トバイアス源 Ｖｓｏ　　ソース−ドレイン間バイアス源第３図 （ａ） 第３図 （ｂ＞ −丁−Ｌ 第６図 温度（Ｋ）− 温度（Ｋ）→ μ） （（鼾摸畔）（ヅＸ 囁改妻 Ｎ ←（助↓×畔）囁渉架 Ｏ） ４−　（すＪ−４＝！目ギ）薯央ｇ７ Ｑつ ←　（′リン麻目牢）ト１２公ｙ〕６ （ＯｇｇＡ／ｚｌ”）’ｌ’４４ｆＡ（−６：ｃ’ｎ’
ｖ＞　ｃ工）２′す （斬卸）ｄｔｌｌｌＢ１灯 第１７図 （ａ） （ｂ） 平成 年１０月１２「１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、臨界温度以下の温度条件下において超伝導状態とな
   る電極領域と、 これら電極領域の間に形成され、上記臨界 温度以下の温度条件下において並行して光伝導性となる
   受光領域と、 上記電極領域間に接続したバイアス源とを 具え、 前記電極領域をＣｕ系超伝導材料で構成し、前記受光領
   域をＣｕ＿２Ｏを含む超伝導性光伝導材料で構成し、 前記受光領域に入射する光量に応じて前記 電極間電流が制御されるように構成したことを特徴とす
   る超伝導性光伝導基本物質Ｃｕ＿２Ｏ系材料を用いた超
   伝導性オプトエレクトロニクス装置。 ２、前記電極領域を、 一般式Ｙ＿３＿−＿ｘ−Ｂａ＿ｘ−Ｃｕ＿ｙ−Ｏ＿ｚこ
   こで、１≦ｘ≦２、ｙ＝３、６．５≦ｚ≦７の組成の酸
   化物超伝導性材料て構成したことを特徴とする請求項１
   に記載の超伝導オプトエレクトロニクス装置。 ３、前記電極領域を、 一般式Ｌａ＿２−Ｃｕ＿１−Ｏ＿ｚ、ここで、３．９２
   ＜ｚ≦４．０２組成の超伝導材料で構成したことを特徴
   とする請求項１に記載の超伝導オプトレエクトロニクス
   装置。 ４、請求項１から３までのいずれか１項に記載の超伝導
   オプトエレクトロニクス素子を２次元アレイ状に集積化
   したことを特徴とする超伝導オプトエレクトロニクス装
   置。