原子層超伝導体に形成されるジョセフソン接合を発見

原子スケール超伝導素子の実現に道

2014.12.11

独立行政法人　物質・材料研究機構
国立大学法人　東京大学物性研究所

NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点のグループと、国立大学法人東京大学物性研究所の研究チームは、シリコン表面上に形成した原子レベル厚さの超伝導体において、原子1個分の高さの段差 (原子ステップ) が超伝導電流の流れを制御するジョセフソン接合として働くことを発見しました。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長 : 青野正和) の吉澤俊介ポスドク研究員、内橋隆MANA研究者、中山知信主任研究者、川上拓人ポスドク研究員、古月暁主任研究者らのグループと、国立大学法人東京大学物性研究所のKim Howon (キム・ホワン) ポスドク研究員、長谷川幸雄准教授らからなる研究チームは、シリコン表面上に形成した原子レベル厚さの超伝導体において、原子1個分の高さの段差 (原子ステップ) が超伝導電流の流れを制御するジョセフソン接合として働くことを発見しました。
  2. 最近発見されたシリコン表面上の原子層超伝導体は、究極の微小サイズである原子スケール厚さの超伝導ナノデバイスを実現する可能性を秘めています。しかし、デバイス作製のためには、超伝導演算素子において不可欠な要素であるジョセフソン接合を作製する必要があり、その方法は未解決のままでした。
  3. 今回、当研究チームは、走査トンネル顕微鏡を用いた実験と微視的な理論計算によって、原子層超伝導体の原子ステップに超伝導量子渦の一種であるジョセフソン量子渦という特殊な超伝導状態が発生することを発見しました。これにより、原子ステップがジョセフソン接合として働くことを明らかにしました。本成果は、原子層超伝導体を用いると、従来の超伝導素子では個々に作製していたジョセフソン接合を自己組織化的に速く大量に作製できることも意味しています。
  4. 今後、この成果を利用して、原子レベルの厚さしかないジョセフソン素子を創製し、超伝導デバイスへの応用を目指していきます。また、電力応用が期待される高温超伝導体では、ジョセフソン量子渦が重要な働きをすることが知られています。本成果は、高温超伝導体の超伝導特性の解明にも寄与すると期待されます。
  5. 本研究は独立行政法人日本原子力研究開発機構の永井佑紀研究員との共同研究であり、文部科学省世界トップレベル研究拠点プログラムおよび科学研究費助成事業の一環として行われました。
  6. 本研究成果は、米国物理学会Physical Review Letters誌にEditors' Suggestion (注目論文) として近日中に掲載される予定です。
「プレスリリースの図2 : 　走査トンネル顕微鏡で観察した原子層超伝導体の3次元表示。図の高さは試料の高さ情報に、明るさは試料の局所電子状態密度にそれぞれ対応する。段差になっている原子ステップの近傍で明るくなっている領域に超伝導量子渦が存在している。A, B, Cの違いはジョセフソン接合の強さの変化に起因し、ステップ近傍でのインジウム原子層の隙間の幅の違いによって生じる。特にCはジョセフソン量子渦と同定される。矢印は、超伝導電流の流れを模式的に示し、ジョセフソン結合が弱くなるにつれて渦がステップ方向に伸張することを表す。」の画像

プレスリリースの図2 : 　走査トンネル顕微鏡で観察した原子層超伝導体の3次元表示。図の高さは試料の高さ情報に、明るさは試料の局所電子状態密度にそれぞれ対応する。段差になっている原子ステップの近傍で明るくなっている領域に超伝導量子渦が存在している。A, B, Cの違いはジョセフソン接合の強さの変化に起因し、ステップ近傍でのインジウム原子層の隙間の幅の違いによって生じる。特にCはジョセフソン量子渦と同定される。矢印は、超伝導電流の流れを模式的に示し、ジョセフソン結合が弱くなるにつれて渦がステップ方向に伸張することを表す。