積層ジョセフソン接合における磁束量子密度波の励起と量子機能性の発現

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銅酸化物高温超伝導体は,超伝導電流の輸送を担うCuO_2層が積層した結晶構造を特徴としており,CuO_2層に沿ったab面方向とそれに垂直なc軸方向では電流輸送特性に異方性が生ずる。c軸方向の電流輸送はCuO_2層間のジョセフソン結合が支配的であり,特に異方性の強いビスマス系酸化物高温超伝導体などでは微細加工によってc軸方向の電流経路を制限してやると超伝導体(S)-絶縁体(I)-超伝導体(S)の積層構造を反映したSISジョセフソン接合が多数積層した電流-電圧特性が観測され,固有ジョセフソン接合あるいは積層固有ジョセフソン接合と呼ばれている。結晶構造に由来する積層ジョセフソン接合では,超伝導層が極めて薄いために接合間の磁気結合が極めて強く,磁束量子を伴うジョセフソン・ボルテクスの振る舞いが従来の接合系とは大きく異なる。本研究では,ビスマス系銅酸化物高温超伝導体の固有ジョセフソン接合におけるジョセフソン・ボルテクスのダイナミクスとそれに付随する量子機能性を磁気的に強結合した積層ジョセフソン接合における磁束量子密度波(Vortex Density Wave : VDW)との関連付けて明らかにすることを目的にしている。そこで固有ジョセフソン接合に磁場を印加した際にボルテクスが接合電流によるローレンツ力を受けて運動するフラックスフロー現象に着目し,フラックスフロー状態の固有ジョセフソン接合にミリ波を照射したときの応答特性の実験結果と結合サイン・ゴルドン方程式にジョセフソン・ボルテクスの周期的ピニング効果を織り込んだ数値シミュレーションの結果を比較,検討した結果,次のような結論を得た。1.周期的ピニングポテンシャルを導入した固有ジョセフソン接合においては,ボルテックスが全ての積層ジョセフソン接合にわたってコヒーレントに運動する。この状態で,ミリ波により一方の接合端に高周波交番磁界を印加するとシャピロステップに極めて類似した振る舞いを示す高周波誘導ステップが現れる。2.ピニング・フリーの固有ジョセフソン接合をフラックスフロー状態とし,ミリ波により一方の接合端に高周波交番磁界を印加することで現れるゼロ交差ステップは,ボルテクス運動が交番磁界に同期することで積層ジョセフソン接合内にVDWが励起した結果と考えられるこれらの成果は,周有ジョセフソン接合内を運動する磁束量子(フラクソン)を利用してマイクロ波やミリ波の増幅,発振が可能であることを示唆しており応用上有用な知見である。