ナノ構造超伝導体における磁束量子の制御・実空間観察

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ナノ構造超伝導体として、正方格子超伝導ネットワークを対象として、磁束量子の制御・実空間観察を行った。超伝導ネットワークとは超伝導細線が連結した系である。50-300nm厚のNb超伝導薄膜に、孔径1-16μm、格子定数2-32μmの正方格子超伝導ネットワークをDCマグネトロンスパッタリング、フォトリソグラフィー、反応性イオンエッチングによって作製した。それらの試料において、温度3-9K、外部磁場0-300 Oe下での磁束侵入形状を磁気光学イメージング法を用いて可視化した。結果、正方格子対角方向、つまり次近接空孔間方向に磁束侵入容易方向を持つ磁束侵入形状(対角磁束侵入)が現れた。対角磁束侵入現象は、格子定数が磁場侵入長λと同程度、または低温かつ格子定数が大きいという条件で現れた。過去の研究では、高温超伝導体に正方格子状に小空孔を設けた系においては磁束侵入容易方向は格子平行方向、つまり最近接空孔間方向であった。それに対し、この結果は従来の磁束侵入とは異なる現象を可視化し、温度・格子定数によって制御するという新しい磁束侵入容易方向の制御方法を確立した点が重要である。さらに我々は対角磁束侵入の起源を探るための熱伝導率依存性・臨界電流密度・電磁気シミュレーションを測定・計算した。試料に熱伝導層として2.1μm厚のAgを蒸着した。結果、磁束雪崩が抑制され観測されなくなったのに対し、対角磁束侵入が観測された。よって、対角磁束侵入の原因は磁束雪崩ではないと考えられる。超伝導ネットワークにおける臨界電流密度の異方性を測定するため、電流電圧特性を測定した。結果、低温ほど対角方向の臨界電流密度が低く、磁束侵入の磁気光学イメージング結果と一致した。また、臨界温度付近、低磁場において、正方格子平行方向の電流電圧特性に非単調な振る舞いが見られた。超伝導ネットワークにおける磁束侵入形状を電磁気シミュレーションによって計算した。超伝導体内での非線形電流電圧特性を仮定し、正方格子超伝導ネットワークにおいて磁束侵入の電磁気シミュレーションを行った。結果、温度、形状に依存することなく等方的な磁束侵入が現れた。よって、対角磁束侵入の原因は超伝導体内の非線形電流電圧特性だけでは導けないということが明らかになった。我々は、3次元構造を持つ超伝導ネットワークにおける磁束侵入の実空間観察を試みた。我々は従来の2次元プロセスに加え、試料平坦化プロセスを加えることで3次元構造を持つ超伝導体を作製し、磁気光学イメージング法によって、磁束侵入を可視化した。試料は、超伝導薄膜の帯が横から見ると六角格子状に並んでいる形状を持つ。上下の帯の重なりによって、3つの実験結果が得られた。はじめに、上下の層で重なりのない試料において、通常の超伝導体帯での磁束侵入が観測されて、臨界状態モデルから計算された磁束侵入時の磁束密度プロファイルとよくフィットする結果が得られた。つぎに、線幅の1/3ほど重なった試料においては、スポット状の磁束雪崩が観測された。これは、上下交互に配置したストリップによって、反磁場効果が増強され、磁束が侵入し始めると、より帯中心まで磁場を運動させる力が反磁場効果によって、磁束に印可されたためであると考えられる。さらにこのスポット状の磁束雪崩はTc付近まで観測された。Tc付近まで観測される磁束雪崩効果は世界で初めて観測された。最後に、上下ストリップの重なりをさらに増加させると、帯方向とは垂直方向に伸びる磁束侵入が観測された。試料形状から、この現象は上下の帯の磁気的相互作用から起こったのではなく、上下の帯間の熱伝導によって起こったと考えられる。