Extremely Low-Power Half-Flux-Quantum Circuits using Novel, Large Inductance Induced by Magnetic Josephson Junctions

本研究では、磁性ジョセフソン接合を含む量子干渉素子を用いて得られる巨大なインダクタンス効果を用いることで、半磁束量子回路の更なるの低電力化と大規模集積化を可能にすることを目的としている。磁束量子の1/2を情報担体とする半磁束量子回路は、従来の磁束量子に基づく超伝導回路と同程度の速度で、2桁以上の電力削減ができるデジタル回路技術として有望である。また、高速性と低エネルギー性の両方を追求してはじめて近づくことのできる、量子極限に迫る論理回路の学術的探索においても有力なツールとなる。今年度は、磁性ジョセフソン接合を含む量子干渉素子の回路内での振る舞いについて詳細な解析を行った。実際の回路においては、周囲に存在する超伝導ループとの量子干渉効果も起きるため、巨大インダクタンス効果の発現は複雑になる。電流-超伝導位相の関係など定式化し、数値解析による静特性解析を実施した上で、PdNiを磁性体層に用いたπシフト磁性ジョセフソン接合を作製した。まず、外部電流をかけない状態で磁性ジョセフソン接合の位相差がπシフトしていることを確認した後、このπ接合と通常の接合（0接合）から構成した量子干渉素子を超伝導ループ内に複数配置して自己インダクタンスの変化を観察した。液体ヘリウム温度で実施した実験では、π接合を含む量子干渉素子を複数有する超伝導ループが、非線形のインダクタンス特性を示すことが示唆された。0接合の臨界電流値35μAに対し、数マイクロアンペア程度の微小な電流入力に対して、1桁のインダクタンス増大効果があることが見込まれることが分かった。

本研究では、磁性ジョセフソン接合を含む量子干渉素子を用いて得られる巨大なインダクタンス効果を用いることで、半磁束量子回路の更なるの低電力化と大規模集積化を可能にすることを目的としている。磁束量子の1/2を情報担体とする半磁束量子回路は、従来の磁束量子に基づく超伝導回路と同程度の速度で、2桁以上の電力削減ができるデジタル回路技術として有望である。また、高速性と低エネルギー性の両方を追求してはじめて近づくことのできる、量子極限に迫る論理回路の学術的探索においても有力なツールとなる。今年度は、磁性ジョセフソン接合を含む量子干渉素子の回路内での振る舞いについて詳細な解析を行った。実際の回路においては、周囲に存在する超伝導ループとの量子干渉効果も起きるため、巨大インダクタンス効果の発現は複雑になる。電流-超伝導位相の関係など定式化し、数値解析による静特性解析を実施した上で、PdNiを磁性体層に用いたπシフト磁性ジョセフソン接合を作製した。まず、外部電流をかけない状態で磁性ジョセフソン接合の位相差がπシフトしていることを確認した後、このπ接合と通常の接合（0接合）から構成した量子干渉素子を超伝導ループ内に複数配置して自己インダクタンスの変化を観察した。液体ヘリウム温度で実施した実験では、π接合を含む量子干渉素子を複数有する超伝導ループが、非線形のインダクタンス特性を示すことが示唆された。0接合の臨界電流値35μAに対し、数マイクロアンペア程度の微小な電流入力に対して、1桁のインダクタンス増大効果があることが見込まれることが分かった。