Study of low-temperature hydrogen absorption and diffusion into metal using inelastic electron spectroscopy measurements

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Nb製超伝導－常伝導－超伝導ジョセフソン接合(SNS-JJ)を作製し、その表面に水素を吸着させた際の微分伝導信号dI/dVを詳細に調べた。セル内に水素(H2)を導入する前は超伝導ギャップに起因するピークが見られた。一方、T~20KでH2をSNS-JJに吸着させると超伝導ギャップ内の信号は大きく変化し、電圧値の正負に対して対称的にスパイク状のピークがほぼ等間隔に多数出現した。さらに、温度変化させてもスパイク間隔は変化せず、超伝導転移より高温ではスパイクは消失した。またHe吸着ではこのような変化はない。Nbは水素吸蔵金属なので、同様の実験を水素が吸蔵されず、超伝導転移する金属であるPb製SNS型ジョセフソン接合で行ったところ、やはり超伝導ギャップより低エネルギー側のdI/dV信号にスパイク状ピークが多数出現することが分かった。さらにこのスパイク状ピークは、温度やコンタクトサイズを変化させても、大きく変化しない。以上より、スパイク構造の起源は表面に吸着した水素が、超伝導電流と相互作用をすることによってノイズ構造を発生することが明らかになった。SNS-JJ内部に侵入した水素が超伝導電流に対して、どのような影響を与えるかについても調べた。微量の水素を予めバナジウム(V)金属ワイヤに吸蔵させ、超伝導転移温度(Tc~5.2K)以下まで冷却し、MCBJ法を用いてSNS-JJを作製しその信号を調べた。その結果、超伝導ギャップより高エネルギー側にも電流異常が出現することが分かった。さらにその温度変化、水素不純物濃度変化、ジョセフソン接合のサイズ変化、水素位置の変化などを調べることで、このスパイク状ノイズが超伝導中の準粒子の干渉により発生していることが明らかになった。以上より、素子内に不純物や欠陥が存在することでも準粒子の干渉が誘起され、超伝導電流に対するノイズ源になることを明らかになった。