JPH0786645A - 超電導量子干渉素子 - Google Patents
超電導量子干渉素子Info
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- JPH0786645A JPH0786645A JP5224788A JP22478893A JPH0786645A JP H0786645 A JPH0786645 A JP H0786645A JP 5224788 A JP5224788 A JP 5224788A JP 22478893 A JP22478893 A JP 22478893A JP H0786645 A JPH0786645 A JP H0786645A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 臨界電流・ノーマル抵抗積が大きいジョセフ
ソン素子や、磁界の侵入距離が長い酸化物超電導体を用
いて、高感度化を実現した超電導量子干渉素子を提供す
る。 【構成】 超電導ループ１４に並列に接続された 2つの
ジョセフソン素子１２、１２を具備する超電導量子干渉
素子１１である。 2つのジョセフソン素子１２、１２間
は、ストリップライン構造１５、マイクロストリップラ
イン構造、スロットライン構造、コープレーナーライン
構造等の超電導電磁波伝送線で結合されている。
ソン素子や、磁界の侵入距離が長い酸化物超電導体を用
いて、高感度化を実現した超電導量子干渉素子を提供す
る。 【構成】 超電導ループ１４に並列に接続された 2つの
ジョセフソン素子１２、１２を具備する超電導量子干渉
素子１１である。 2つのジョセフソン素子１２、１２間
は、ストリップライン構造１５、マイクロストリップラ
イン構造、スロットライン構造、コープレーナーライン
構造等の超電導電磁波伝送線で結合されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超高感度の超電導量子
干渉素子に関する。
干渉素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば図１７に示すように、 2個のジョ
セフソン素子１、１を超電導ループ２で結合した直流型
超電導量子干渉素子(DC-ＳＱＵＩＤ）３は、超高感度の
磁界センサとして働き、脳磁界計測等の超高感度を必要
とする応用分野を対象とした研究開発が行われている。
なお、図中４はバイアス用超電導電極である。すでに、
金属系超電導体を用いて構成したＳＱＵＩＤに関して
は、脳磁界分布測定により医療診断を行うことを目的
に、多くのＳＱＵＩＤを頭の周囲に配置したマルチチャ
ンネルシステムが研究されており、空間分解能を高める
ために、チャンネル数を増加する研究が続けられている
（例えば、J.Vrbaら，IEEE Trans.AppliedSuperconduct
ivity, vol.3,1878(1993) 参照）。
セフソン素子１、１を超電導ループ２で結合した直流型
超電導量子干渉素子(DC-ＳＱＵＩＤ）３は、超高感度の
磁界センサとして働き、脳磁界計測等の超高感度を必要
とする応用分野を対象とした研究開発が行われている。
なお、図中４はバイアス用超電導電極である。すでに、
金属系超電導体を用いて構成したＳＱＵＩＤに関して
は、脳磁界分布測定により医療診断を行うことを目的
に、多くのＳＱＵＩＤを頭の周囲に配置したマルチチャ
ンネルシステムが研究されており、空間分解能を高める
ために、チャンネル数を増加する研究が続けられている
（例えば、J.Vrbaら，IEEE Trans.AppliedSuperconduct
ivity, vol.3,1878(1993) 参照）。
【０００３】これらの金属系超電導体を用いたＳＱＵＩ
Ｄに対して、近年、動作温度の高温度化や高感度化を狙
って、酸化物超電導体を用いたＳＱＵＩＤの研究が活発
に行われている。現段階では、ＳＱＵＩＤを構成する高
性能ジョセフソン素子の研究と共に、ＳＱＵＩＤの構成
技術と構成したＳＱＵＩＤの性能に関する研究が主に行
われている（例えば、K.Charら，Appl.Phys.Lett.,vol.
62,196(1993)参照）。酸化物超電導体を用いて、従来の
金属系ＳＱＵＩＤを上回るＳＱＵＩＤを、例えば図１７
に示したような従来の方式で構成する場合に問題となる
ことは、以下の二点である。一つは、酸化物超電導体を
用いた臨界電流・ノーマル抵抗積が高い（例えば数mV以
上）ジョセフソン素子を用いてＳＱＵＩＤを構成する
と、これまで用いられてきた型のＳＱＵＩＤでは、ＳＱ
ＵＩＤループの大きさがＳＱＵＩＤのバイアス電圧に対
応する電磁波の波長の比べて無視できない大きさになる
ことから、ジョセフソン素子間のインピーダンスが大き
くなり、ＳＱＵＩＤ動作に必要なジョセフソン素子間の
交流相互作用が十分に行われなくなってしまう。そのた
めに、磁束−電圧変換特性における電圧の変調深さが減
少してしまう。これは、ＳＱＵＩＤの感度の低下に相当
するため、潜在的にそのＳＱＵＩＤが有する感度を十分
引き出すことができないことになる。
Ｄに対して、近年、動作温度の高温度化や高感度化を狙
って、酸化物超電導体を用いたＳＱＵＩＤの研究が活発
に行われている。現段階では、ＳＱＵＩＤを構成する高
性能ジョセフソン素子の研究と共に、ＳＱＵＩＤの構成
技術と構成したＳＱＵＩＤの性能に関する研究が主に行
われている（例えば、K.Charら，Appl.Phys.Lett.,vol.
62,196(1993)参照）。酸化物超電導体を用いて、従来の
金属系ＳＱＵＩＤを上回るＳＱＵＩＤを、例えば図１７
に示したような従来の方式で構成する場合に問題となる
ことは、以下の二点である。一つは、酸化物超電導体を
用いた臨界電流・ノーマル抵抗積が高い（例えば数mV以
上）ジョセフソン素子を用いてＳＱＵＩＤを構成する
と、これまで用いられてきた型のＳＱＵＩＤでは、ＳＱ
ＵＩＤループの大きさがＳＱＵＩＤのバイアス電圧に対
応する電磁波の波長の比べて無視できない大きさになる
ことから、ジョセフソン素子間のインピーダンスが大き
くなり、ＳＱＵＩＤ動作に必要なジョセフソン素子間の
交流相互作用が十分に行われなくなってしまう。そのた
めに、磁束−電圧変換特性における電圧の変調深さが減
少してしまう。これは、ＳＱＵＩＤの感度の低下に相当
するため、潜在的にそのＳＱＵＩＤが有する感度を十分
引き出すことができないことになる。
【０００４】もう一つの問題点は、膜面に垂直な方向の
磁界侵入距離が大きい薄膜、例えばYBa2 Cu3 O 7-x 等
の酸化物超電導体のａ軸配向膜を用いる場合に顕著に現
れる。すなわち、ループインダクタンス（インダクタン
スの値をＬとする）を構成する超電導薄膜の厚さを、構
造上の問題や膜のストレス、クラック等の問題から、磁
界侵入距離（ａ軸配向の YBa2 Cu3 O 7-x 膜で等価的に
1μm 程度（例えば、T.Hashimotoら，IEEE Trans.Appl
ied Superconductivity, vol.3,2385(1993)参照））よ
り十分厚くすることができないために、超電導電子の慣
性に基くカイネティックインダクタンスが増大する。そ
の結果として、ループのインダクタンスの値が大きくな
るために、通常のＳＱＵＩＤの最適条件Ｌ〜Φ0 /2Ｉc
（Φ0は磁束量子を、Ｉc はジョセフン素子の臨界電流
を示す）を満たすことが困難になる。そのために、電圧
の変調深さが小さくなり、ＳＱＵＩＤ単体の感度が大き
く低下してしまう。さらに、カイネテックインダクタン
スが磁界と結合しないために、これまでのようなスパイ
ラル状の入力コイルをループ上に配置しても、入力コイ
ルとＳＱＵＩＤループのカップリングを良好にすること
が困難であり、ＳＱＵＩＤ磁力計全体の感度をさらに劣
化させてしまう。
磁界侵入距離が大きい薄膜、例えばYBa2 Cu3 O 7-x 等
の酸化物超電導体のａ軸配向膜を用いる場合に顕著に現
れる。すなわち、ループインダクタンス（インダクタン
スの値をＬとする）を構成する超電導薄膜の厚さを、構
造上の問題や膜のストレス、クラック等の問題から、磁
界侵入距離（ａ軸配向の YBa2 Cu3 O 7-x 膜で等価的に
1μm 程度（例えば、T.Hashimotoら，IEEE Trans.Appl
ied Superconductivity, vol.3,2385(1993)参照））よ
り十分厚くすることができないために、超電導電子の慣
性に基くカイネティックインダクタンスが増大する。そ
の結果として、ループのインダクタンスの値が大きくな
るために、通常のＳＱＵＩＤの最適条件Ｌ〜Φ0 /2Ｉc
（Φ0は磁束量子を、Ｉc はジョセフン素子の臨界電流
を示す）を満たすことが困難になる。そのために、電圧
の変調深さが小さくなり、ＳＱＵＩＤ単体の感度が大き
く低下してしまう。さらに、カイネテックインダクタン
スが磁界と結合しないために、これまでのようなスパイ
ラル状の入力コイルをループ上に配置しても、入力コイ
ルとＳＱＵＩＤループのカップリングを良好にすること
が困難であり、ＳＱＵＩＤ磁力計全体の感度をさらに劣
化させてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、酸化
物超電導体を用いて、従来の方式でＳＱＵＩＤを構成し
た場合には、酸化物超電導体を用いたジョセフソン素子
の臨界電流・ノーマル抵抗積が高いことに起因して、ジ
ョセフソン素子間のインピーダンスが大きくなるという
問題や、酸化物超電導体膜厚を磁界侵入距離より十分厚
くすることができないことから、超電導ループのインダ
クタンスが大きくなるというような問題が生じてしま
う。これらのことから、酸化物超電導体を用いた従来方
式のＳＱＵＩＤでは、金属系超電導体を用いたＳＱＵＩ
Ｄに比べて超高感度を図ることは困難であった。
物超電導体を用いて、従来の方式でＳＱＵＩＤを構成し
た場合には、酸化物超電導体を用いたジョセフソン素子
の臨界電流・ノーマル抵抗積が高いことに起因して、ジ
ョセフソン素子間のインピーダンスが大きくなるという
問題や、酸化物超電導体膜厚を磁界侵入距離より十分厚
くすることができないことから、超電導ループのインダ
クタンスが大きくなるというような問題が生じてしま
う。これらのことから、酸化物超電導体を用いた従来方
式のＳＱＵＩＤでは、金属系超電導体を用いたＳＱＵＩ
Ｄに比べて超高感度を図ることは困難であった。
【０００６】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、酸化物超電導体を用いて、高感度化
を実現した超電導量子干渉素子を提供することを目的と
している。
になされたもので、酸化物超電導体を用いて、高感度化
を実現した超電導量子干渉素子を提供することを目的と
している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の超電導量子干渉
素子は、超電導ループに並列に接続された 2つのジョセ
フソン素子を具備する超電導量子干渉素子において、前
記 2つのジョセフソン素子間を超電導電磁波伝送線で結
合したことを特徴としている。
素子は、超電導ループに並列に接続された 2つのジョセ
フソン素子を具備する超電導量子干渉素子において、前
記 2つのジョセフソン素子間を超電導電磁波伝送線で結
合したことを特徴としている。
【０００８】
【作用】ＳＱＵＩＤの動作には、ジョセフソン素子間の
直流相互作用と交流相互作用が十分に行われることが必
要である。そこで、図１に示すように、超電導ループ２
の部分を、各ジョセフソン素子１、１のノーマル抵抗と
整合がとれた超電導電磁波伝送線路５で構成することを
考える。ここで、伝送線路５のインダクタンスは、ＳＱ
ＵＩＤのループインダクタンスを兼ねていることを注意
しておく。こうすると、分布定数線路的に超電導ループ
２のインダクタンスを、伝送線路５のキャパシタンスで
回路的に相殺することができるため、大きなインダクタ
ンスに妨げられることなく、直流および交流成分共に、
両ジョセフソン素子１、１間を行き来することができ
る。これは、交流の周波数、電磁波の波長（ＳＱＵＩＤ
のバイアス電圧に対応するジョセフソン発振の周波数と
その時の電磁波の波長）に関わらず実現できる。
直流相互作用と交流相互作用が十分に行われることが必
要である。そこで、図１に示すように、超電導ループ２
の部分を、各ジョセフソン素子１、１のノーマル抵抗と
整合がとれた超電導電磁波伝送線路５で構成することを
考える。ここで、伝送線路５のインダクタンスは、ＳＱ
ＵＩＤのループインダクタンスを兼ねていることを注意
しておく。こうすると、分布定数線路的に超電導ループ
２のインダクタンスを、伝送線路５のキャパシタンスで
回路的に相殺することができるため、大きなインダクタ
ンスに妨げられることなく、直流および交流成分共に、
両ジョセフソン素子１、１間を行き来することができ
る。これは、交流の周波数、電磁波の波長（ＳＱＵＩＤ
のバイアス電圧に対応するジョセフソン発振の周波数と
その時の電磁波の波長）に関わらず実現できる。
【０００９】このようなことから、膜の磁界侵入距離が
大きいために、ループのインダクタンスが大きくなって
も、 2個のジョセフソン素子の交流相互作用が従来のＳ
ＱＵＩＤのように大きく妨げられることはない。また、
ＳＱＵＩＤのバイアス点の電圧がかなり高く、その電圧
に対応する発振周波数の電磁波の波長が素子寸法より短
い場合にも、分布定数回路的な構成になっているため
に、問題なく動作させることができる。従って、動作時
のバイアス点の電圧が高くなる場合、すなわち臨界電流
・ノーマル抵抗積の大きなジョセフソン素子を用いた場
合や、膜の磁界侵入距離が長く、ループのインダクタン
スを小さくできない場合にも、本発明の構成によれば十
分動作させることができ、酸化物超電導体を用いたＳＱ
ＵＩＤが本来有する高感度を実現することが可能とな
る。
大きいために、ループのインダクタンスが大きくなって
も、 2個のジョセフソン素子の交流相互作用が従来のＳ
ＱＵＩＤのように大きく妨げられることはない。また、
ＳＱＵＩＤのバイアス点の電圧がかなり高く、その電圧
に対応する発振周波数の電磁波の波長が素子寸法より短
い場合にも、分布定数回路的な構成になっているため
に、問題なく動作させることができる。従って、動作時
のバイアス点の電圧が高くなる場合、すなわち臨界電流
・ノーマル抵抗積の大きなジョセフソン素子を用いた場
合や、膜の磁界侵入距離が長く、ループのインダクタン
スを小さくできない場合にも、本発明の構成によれば十
分動作させることができ、酸化物超電導体を用いたＳＱ
ＵＩＤが本来有する高感度を実現することが可能とな
る。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【００１１】図２は、本発明の一実施例による超電導量
子干渉素子の構成を模式的に示す図である。この超電導
量子干渉素子１１は、酸化物超電導体を用いた 2個のジ
ョセフソン素子１２、１２を有しており、これら 2個の
ジョセフソン素子１２、１２は、バイアス用超電導電極
１３、１３が接続された超電導ループ１４に並列に接続
されている。そして、この 2個のジョセフソン素子１
２、１２間を結合する超電導ループ１４は、ジョセフソ
ン素子１２とほぼ整合がとれたストリップライン構造の
超電導電磁波伝送線１５により構成されている。
子干渉素子の構成を模式的に示す図である。この超電導
量子干渉素子１１は、酸化物超電導体を用いた 2個のジ
ョセフソン素子１２、１２を有しており、これら 2個の
ジョセフソン素子１２、１２は、バイアス用超電導電極
１３、１３が接続された超電導ループ１４に並列に接続
されている。そして、この 2個のジョセフソン素子１
２、１２間を結合する超電導ループ１４は、ジョセフソ
ン素子１２とほぼ整合がとれたストリップライン構造の
超電導電磁波伝送線１５により構成されている。
【００１２】超電導電磁波伝送線の構造としては、上記
ストリップライン構造に限らず、例えば図３に示すマイ
クロストリップライン構造１６、図４に示すスロットラ
イン構造１７、図５に示すコープレーナーライン構造１
８、さらに図６に示すような特性インピーダンスが次第
に変化するような伝送線路１９等を使用することができ
る。
ストリップライン構造に限らず、例えば図３に示すマイ
クロストリップライン構造１６、図４に示すスロットラ
イン構造１７、図５に示すコープレーナーライン構造１
８、さらに図６に示すような特性インピーダンスが次第
に変化するような伝送線路１９等を使用することができ
る。
【００１３】上述したような超電導電磁波伝送線は、ジ
ョセフソン素子（接合）の設計値、すなわち臨界電流・
ノーマル抵抗積に応じて、伝送線の形状や特性、すなわ
ち特性インピーダンス（Ｚ0 ）を設定するものとする。
例えば、臨界電流・ノーマル抵抗積が大きいジョセフソ
ン素子を用いる場合には、例えば図２、図３、図４に示
した構造を、また比較的臨界電流・ノーマル抵抗積が小
さいジョセフソン素子を用いる場合には、例えば図４、
図５、図６に示した構造を適用することが好ましい。ま
た、ジョセフソン素子の臨界電流・ノーマル抵抗積と伝
送線の特性インピーダンス（Ｚ0 ）とは、一致させるこ
とが最も望ましい形態ではあるが、ある程度の差を有す
る場合においても、良好に動作させることは可能であ
る。また、臨界電流・ノーマル抵抗積と特性インピーダ
ンスとの間に、インピーダンス不整合を存在する場合に
は、反射波を抑制するような手段を併用することが好ま
しい。この点については後に詳述する。
ョセフソン素子（接合）の設計値、すなわち臨界電流・
ノーマル抵抗積に応じて、伝送線の形状や特性、すなわ
ち特性インピーダンス（Ｚ0 ）を設定するものとする。
例えば、臨界電流・ノーマル抵抗積が大きいジョセフソ
ン素子を用いる場合には、例えば図２、図３、図４に示
した構造を、また比較的臨界電流・ノーマル抵抗積が小
さいジョセフソン素子を用いる場合には、例えば図４、
図５、図６に示した構造を適用することが好ましい。ま
た、ジョセフソン素子の臨界電流・ノーマル抵抗積と伝
送線の特性インピーダンス（Ｚ0 ）とは、一致させるこ
とが最も望ましい形態ではあるが、ある程度の差を有す
る場合においても、良好に動作させることは可能であ
る。また、臨界電流・ノーマル抵抗積と特性インピーダ
ンスとの間に、インピーダンス不整合を存在する場合に
は、反射波を抑制するような手段を併用することが好ま
しい。この点については後に詳述する。
【００１４】次に、図２に示した超電導量子干渉素子１
１の製造例、および得られた超電導量子干渉素子の評価
結果について述べる。ここでは、基板として SrTiO3 (1
00)基板を、酸化物超電導体層として YBa2 Cu3 O 7-x
（以下、Y-Ba-Cu-O と記す）を、常伝導層としてPrBa2
Cu3 O 7-y （以下、Pr-Ba-Cu-Oと記す）を、絶縁体とし
て SrTiO3 を用い、ジョセフソン素子としてＳＮＳ型の
Y-Ba-Cu-O/Pr-Ba-Cu-O/Y-Ba-Cu-O接合を作製した。以下
に、図７を参照して作製工程について述べる。まず、 S
rTiO3 (100) 基板２１上に、多元スパッタ法を用いて、
in-situでａ軸配向の Y-Ba-Cu-O２２／Pr-Ba-Cu-O２３
／ Y-Ba-Cu-O２４の積層膜２５を作製した（図７−
ａ）。これらの膜厚は、 Y-Ba-Cu-O膜２２を 300nm、Pr
-Ba-Cu-O膜２３を 5nm、 Y-Ba-Cu-O２４膜を 150nmとし
た。次いで、フォトリソグラフィー技術とエッチング技
術を用いて、下部の Y-Ba-Cu-O配線２７部分を残して、
2個の接合２６、２６が形成されるようにパターニング
した（図７−ｂ）。 次に、下部の Y-Ba-Cu-O配線２７
上に、層間絶縁層として SrTiO3 層２８をスッパタ法に
より成膜し（図７−ｃ）、フォトリソグラフィー技術と
エッチング技術を用いて、接合上部に電極取り出し用の
穴を設けた。その上に、 Y-Ba-Cu-O膜をスパッタ法によ
り成膜した後、フォトリソグラフィー技術とエッチング
技術を用いて、上部 Y-Ba-Cu-O配線２９を形成した（図
７−ｄ）。ここで、 SrTiO3 絶縁層２８を介した下部 Y
-Ba-Cu-O配線２７および上部 Y-Ba-Cu-O配線２９は、ス
トリップライン構造を形成している。このようにして、
図２に構成を示すストリップライン構造の超電導電磁波
伝送線を超電導ループに適用したＳＱＵＩＤ１１を作製
した。
１の製造例、および得られた超電導量子干渉素子の評価
結果について述べる。ここでは、基板として SrTiO3 (1
00)基板を、酸化物超電導体層として YBa2 Cu3 O 7-x
（以下、Y-Ba-Cu-O と記す）を、常伝導層としてPrBa2
Cu3 O 7-y （以下、Pr-Ba-Cu-Oと記す）を、絶縁体とし
て SrTiO3 を用い、ジョセフソン素子としてＳＮＳ型の
Y-Ba-Cu-O/Pr-Ba-Cu-O/Y-Ba-Cu-O接合を作製した。以下
に、図７を参照して作製工程について述べる。まず、 S
rTiO3 (100) 基板２１上に、多元スパッタ法を用いて、
in-situでａ軸配向の Y-Ba-Cu-O２２／Pr-Ba-Cu-O２３
／ Y-Ba-Cu-O２４の積層膜２５を作製した（図７−
ａ）。これらの膜厚は、 Y-Ba-Cu-O膜２２を 300nm、Pr
-Ba-Cu-O膜２３を 5nm、 Y-Ba-Cu-O２４膜を 150nmとし
た。次いで、フォトリソグラフィー技術とエッチング技
術を用いて、下部の Y-Ba-Cu-O配線２７部分を残して、
2個の接合２６、２６が形成されるようにパターニング
した（図７−ｂ）。 次に、下部の Y-Ba-Cu-O配線２７
上に、層間絶縁層として SrTiO3 層２８をスッパタ法に
より成膜し（図７−ｃ）、フォトリソグラフィー技術と
エッチング技術を用いて、接合上部に電極取り出し用の
穴を設けた。その上に、 Y-Ba-Cu-O膜をスパッタ法によ
り成膜した後、フォトリソグラフィー技術とエッチング
技術を用いて、上部 Y-Ba-Cu-O配線２９を形成した（図
７−ｄ）。ここで、 SrTiO3 絶縁層２８を介した下部 Y
-Ba-Cu-O配線２７および上部 Y-Ba-Cu-O配線２９は、ス
トリップライン構造を形成している。このようにして、
図２に構成を示すストリップライン構造の超電導電磁波
伝送線を超電導ループに適用したＳＱＵＩＤ１１を作製
した。
【００１５】図８に、作製したＳＱＵＩＤの磁束−電圧
変換特性の一例を示す。この素子は、臨界電流・ノーマ
ル抵抗積が 5mVであり、測定では臨界電流の 1.1倍の電
流にバイアスして、印加磁界を変化させている。動作点
の電圧が 4mVのとき、ジョセフソン発振の周波数は1.9T
Hzで、真空中の波長は 150μm である。基板と層間絶縁
層として用いた SrTiO3 の比誘電率は、この周波数帯で
は明確には分からないが、低い周波数ではかなり大きな
値であることが知られている。この誘電率と、ａ軸配向
膜の磁界侵入距離および膜厚から求められる管内波長
は、明確ではない誘電率分の寄与を無視して非常に大き
く見積もっても30μm 以下である。ここで作製した素子
の伝送線路の長さは 200μm であり、管内波長に比べて
大きいにも拘らず、大きな変調深さが得られている。こ
れは、こういった状況下でも高感度のＳＱＵＩＤを実現
できることを示している。
変換特性の一例を示す。この素子は、臨界電流・ノーマ
ル抵抗積が 5mVであり、測定では臨界電流の 1.1倍の電
流にバイアスして、印加磁界を変化させている。動作点
の電圧が 4mVのとき、ジョセフソン発振の周波数は1.9T
Hzで、真空中の波長は 150μm である。基板と層間絶縁
層として用いた SrTiO3 の比誘電率は、この周波数帯で
は明確には分からないが、低い周波数ではかなり大きな
値であることが知られている。この誘電率と、ａ軸配向
膜の磁界侵入距離および膜厚から求められる管内波長
は、明確ではない誘電率分の寄与を無視して非常に大き
く見積もっても30μm 以下である。ここで作製した素子
の伝送線路の長さは 200μm であり、管内波長に比べて
大きいにも拘らず、大きな変調深さが得られている。こ
れは、こういった状況下でも高感度のＳＱＵＩＤを実現
できることを示している。
【００１６】図９は、バイアス用超電導電極（電流端
子）１３を、ストリップライン１５の中央ではなく、端
に設けた例を示している。これにより、ストリップライ
ン１５中の電磁界の乱れを、図２の場合よりも小さくす
ることができ、磁束−電圧変換特性を改善することがで
きる。
子）１３を、ストリップライン１５の中央ではなく、端
に設けた例を示している。これにより、ストリップライ
ン１５中の電磁界の乱れを、図２の場合よりも小さくす
ることができ、磁束−電圧変換特性を改善することがで
きる。
【００１７】また、ジョセフソン素子とストリップライ
ンとの間に、微弱なインピーダンス不整合がある場合に
は、例えば図１０に示すように、ストリップライン１５
に接触させて抵抗膜（ダンピング抵抗）３１を設け、抵
抗膜３１の損失を用いて、インピーダンス不整合を改善
することができる。抵抗膜３１の形状は、点線で示した
ようにすることもできる。これらの抵抗膜３１により、
反射波をダンピングして不整合の影響を低減でき、磁束
−電圧変換特性を改善することができる。
ンとの間に、微弱なインピーダンス不整合がある場合に
は、例えば図１０に示すように、ストリップライン１５
に接触させて抵抗膜（ダンピング抵抗）３１を設け、抵
抗膜３１の損失を用いて、インピーダンス不整合を改善
することができる。抵抗膜３１の形状は、点線で示した
ようにすることもできる。これらの抵抗膜３１により、
反射波をダンピングして不整合の影響を低減でき、磁束
−電圧変換特性を改善することができる。
【００１８】図１１では、ヒステリシスを有するジョセ
フソン素子３２、３２を用いる場合に、ヒステリシスを
なくすためのシャント抵抗３３を付加した構成例を示
す。このように構成することによって、前述のヒステリ
シスがないジョセフソン素子１２を用いた場合と同様に
動作させることができる。また図１２は、ジョセフソン
素子内外で内部共振が起きにくくするために、ジョセフ
ソン素子１２の形状を方形でない形（この例では三角
形）にして構成した超電導量子干渉素子の一例を示す平
面図である。このように構成することによって、キャパ
シタンスを有する接合中等で電磁波共振が起こり、磁束
−電圧変換特性が劣化することを防ぐことができる。
フソン素子３２、３２を用いる場合に、ヒステリシスを
なくすためのシャント抵抗３３を付加した構成例を示
す。このように構成することによって、前述のヒステリ
シスがないジョセフソン素子１２を用いた場合と同様に
動作させることができる。また図１２は、ジョセフソン
素子内外で内部共振が起きにくくするために、ジョセフ
ソン素子１２の形状を方形でない形（この例では三角
形）にして構成した超電導量子干渉素子の一例を示す平
面図である。このように構成することによって、キャパ
シタンスを有する接合中等で電磁波共振が起こり、磁束
−電圧変換特性が劣化することを防ぐことができる。
【００１９】図１３は、超電導量子干渉素子１１上に入
力コイル３４（図では 2ターンの場合を示している）を
付加した場合の構成例を示している。このようにすれ
ば、臨界電流・ノーマル抵抗積が高く、磁界の侵入距離
が膜厚よりも長い場合においても、従来型（例えば、M.
B.Kechenら，Appl.Phys.Lett.,vol.40,736(1982)）とよ
く似た磁力計構成が実現できる。これは、前述した他の
超電導電磁波伝送線を用いた超電導量子干渉素子につい
ても、同様に実現することができる。また、上述した各
種の変形例についても同様であり、種々の超電導電磁波
伝送線を用いた超電導量子干渉素子に適用可能である。
力コイル３４（図では 2ターンの場合を示している）を
付加した場合の構成例を示している。このようにすれ
ば、臨界電流・ノーマル抵抗積が高く、磁界の侵入距離
が膜厚よりも長い場合においても、従来型（例えば、M.
B.Kechenら，Appl.Phys.Lett.,vol.40,736(1982)）とよ
く似た磁力計構成が実現できる。これは、前述した他の
超電導電磁波伝送線を用いた超電導量子干渉素子につい
ても、同様に実現することができる。また、上述した各
種の変形例についても同様であり、種々の超電導電磁波
伝送線を用いた超電導量子干渉素子に適用可能である。
【００２０】次に、本発明の超電導量子干渉素子をグラ
ディオメータに適用した例について述べる。図１４は、
本発明の超電導量子干渉素子を用いたグラディオメータ
の一構成例を示す図である。図１４では、 1ターンのグ
ラディオメータの構成例を示している。中央部のＳＱＵ
ＩＤループ３５には、 2つの検出コイル３６、３６で互
いに逆向きの磁束が加えられるように構成されているた
め、 2つの検出コイル３６、３６の検出磁界の差分、す
なわち磁界の勾配を測定することできる。図１５では、
検出コイル３６を複数並列接続して、感度の向上を図っ
た構成例を示している。検出コイル３６の面積は、 N個
並列にすることにより N倍になり、このコイルの内部イ
ンダクタンスは 1/Nになるため、同じ印加磁界に対して
より多くの電流をＳＱＵＩＤループ３５に流せるように
なり、磁界感度を上げることができる。もちろん、この
並列接続による検出コイルの構成は、グラディオメータ
ではない場合、あるいはより高次のグラディオメータに
も使用できる。なお、このような構成は、前述した他の
超電導電磁波伝送線を用いた超電導量子干渉素子につい
ても、同様に実現することができる。
ディオメータに適用した例について述べる。図１４は、
本発明の超電導量子干渉素子を用いたグラディオメータ
の一構成例を示す図である。図１４では、 1ターンのグ
ラディオメータの構成例を示している。中央部のＳＱＵ
ＩＤループ３５には、 2つの検出コイル３６、３６で互
いに逆向きの磁束が加えられるように構成されているた
め、 2つの検出コイル３６、３６の検出磁界の差分、す
なわち磁界の勾配を測定することできる。図１５では、
検出コイル３６を複数並列接続して、感度の向上を図っ
た構成例を示している。検出コイル３６の面積は、 N個
並列にすることにより N倍になり、このコイルの内部イ
ンダクタンスは 1/Nになるため、同じ印加磁界に対して
より多くの電流をＳＱＵＩＤループ３５に流せるように
なり、磁界感度を上げることができる。もちろん、この
並列接続による検出コイルの構成は、グラディオメータ
ではない場合、あるいはより高次のグラディオメータに
も使用できる。なお、このような構成は、前述した他の
超電導電磁波伝送線を用いた超電導量子干渉素子につい
ても、同様に実現することができる。
【００２１】図１６は、本発明の超電導量子干渉素子を
電流計に応用した例を示している。ここでは、超電導電
磁波伝送線路１５をできるだけ長くし、さらに信号電流
を注入する方の電極（信号電流注入用超電導電極３７）
を極端に磁界侵入距離に比べて薄くし、他方の電極３８
は逆にできるだけ厚くしている。なお、薄くした方の電
極３７は、幅も狭くする方がより好ましい。このように
することによって、電流感度を高めることができ、低入
力インピーダンスの電流計として使用することもでき
る。
電流計に応用した例を示している。ここでは、超電導電
磁波伝送線路１５をできるだけ長くし、さらに信号電流
を注入する方の電極（信号電流注入用超電導電極３７）
を極端に磁界侵入距離に比べて薄くし、他方の電極３８
は逆にできるだけ厚くしている。なお、薄くした方の電
極３７は、幅も狭くする方がより好ましい。このように
することによって、電流感度を高めることができ、低入
力インピーダンスの電流計として使用することもでき
る。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
臨界電流・ノーマル抵抗積の大きいジョセフソン素子を
用いたり、磁界の侵入距離の長い酸化物超電導体膜を用
いて、良好に動作させることが可能な超電導量子干渉素
子を構成することができる。これにより、従来の性能を
上回る超高感度の蝶超電導磁力計を実現することが可能
となる。
臨界電流・ノーマル抵抗積の大きいジョセフソン素子を
用いたり、磁界の侵入距離の長い酸化物超電導体膜を用
いて、良好に動作させることが可能な超電導量子干渉素
子を構成することができる。これにより、従来の性能を
上回る超高感度の蝶超電導磁力計を実現することが可能
となる。
【図１】 本発明の超電導量子干渉素子を回路構成とし
て示す図である。
て示す図である。
【図２】 本発明の一実施例による超電導量子干渉素子
の構成を模式的に示す斜視図である。
の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】 本発明の超電導量子干渉素子における超電導
電磁波伝送線の他の構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
電磁波伝送線の他の構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
【図４】 本発明の超電導量子干渉素子における超電導
電磁波伝送線のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図
である。
電磁波伝送線のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図
である。
【図５】 本発明の超電導量子干渉素子における超電導
電磁波伝送線のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図
である。
電磁波伝送線のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図
である。
【図６】 本発明の超電導量子干渉素子における超電導
電磁波伝送線のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図
である。
電磁波伝送線のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図
である。
【図７】 本発明の一実施例による超電導量子干渉素子
の製造工程を示す断面図である。
の製造工程を示す断面図である。
【図８】 本発明の一実施例による超電導量子干渉素子
の電流−電圧特性を示す図である。
の電流−電圧特性を示す図である。
【図９】 図２に示す超電導量子干渉素子の変形例を模
式的に示す斜視図である。
式的に示す斜視図である。
【図１０】 本発明の超電導量子干渉素子にダンピング
抵抗を付加した場合の一構成例を模式的に示す斜視図で
ある。
抵抗を付加した場合の一構成例を模式的に示す斜視図で
ある。
【図１１】 本発明の超電導量子干渉素子にシャント抵
抗を付加した場合の一構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
抗を付加した場合の一構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
【図１２】 本発明の超電導量子干渉素子におけるジョ
セフソン素子形状の変形例を模式的に示す斜視図であ
る。
セフソン素子形状の変形例を模式的に示す斜視図であ
る。
【図１３】 本発明の超電導量子干渉素子に入力コイル
を付加した場合の一構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
を付加した場合の一構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
【図１４】 本発明の超電導量子干渉素子をグラディオ
メータに適用した一構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
メータに適用した一構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
【図１５】 本発明の超電導量子干渉素子をグラディオ
メータに適用した他の構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
メータに適用した他の構成例を模式的に示す斜視図であ
る。
【図１６】 本発明の超電導量子干渉素子を電流計に適
用した一構成例を模式的に示す斜視図である。
用した一構成例を模式的に示す斜視図である。
【図１７】 従来の超電導量子干渉素子を模式的に示す
図である。
図である。
１、１２……ジョセフソン素子 ２、１４……超電導ループ ４、１３……バイアス用超電導電極 ５、１５、１６、１７、１８、１９……超電導電磁波伝
送線路 １１……超電導量子干渉素子
送線路 １１……超電導量子干渉素子
Claims (1)
- 【請求項１】超電導ループに並列に接続された 2つのジ
ョセフソン素子を具備する超電導量子干渉素子におい
て、 前記 2つのジョセフソン素子間を超電導電磁波伝送線で
結合したことを特徴とする超電導量子干渉素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5224788A JPH0786645A (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 超電導量子干渉素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5224788A JPH0786645A (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 超電導量子干渉素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0786645A true JPH0786645A (ja) | 1995-03-31 |
Family
ID=16819215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5224788A Withdrawn JPH0786645A (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 超電導量子干渉素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0786645A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005050845A (ja) * | 2003-07-29 | 2005-02-24 | Fujitsu Ltd | シャント抵抗を有する高温超伝導接合装置 |
| CN115064334A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-09-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 超导数字电路电感的表征结构及方法 |
-
1993
- 1993-09-09 JP JP5224788A patent/JPH0786645A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005050845A (ja) * | 2003-07-29 | 2005-02-24 | Fujitsu Ltd | シャント抵抗を有する高温超伝導接合装置 |
| CN115064334A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-09-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 超导数字电路电感的表征结构及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20001128 |