ジョセフソン接合列の微視的結合効果による量子トンネル確率の増大

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Bi系高温超伝導体中の固有ジョセフソン接合列では、超伝導層がおよそ0.3 nmと薄いため、隣接する接合が相互作用し、巨視的量子トンネル効果(MQT)と呼ばれる量子現象も相互作用の影響を受けることが指摘されている。第二スイッチと呼ばれるスイッチではMQTのような温度に依存しない揺らぎが増大し、温度依存する熱揺らぎと温度依存しない揺らぎが等しくなる温度をクロスオーバー温度とすると、クロスオーバー温度がすることが報告されている。本研究ではクロスオーバー温度が増加する原因を調べるため、揺らぎと臨界電流密度依存性について調査した。本研究ではBi2212と呼ばれる物質を用いて、4素子作製しMQTの測定を行った。すべての素子で温度に依存しない揺らぎが増大し、クロスオーバー温度が上昇した。またクロスオーバー温度と臨界電流密度の関係は、素子の臨界電流密度が上昇するほど、クロスオーバー温度が低下するという負の相関が得られた。単一のジョセフソン接合における理論では、臨界電流密度が増大するほど、MQTによる脱出確率が増加し、クロスオーバー温度も上昇するため、本研究で得られた負の相関は単一接合のモデルから導かれる傾向と明らかに異なっている。このような負の相関は電荷結合によって説明できることを示した。電荷結合の強さを表す結合定数は電荷遮蔽長の２乗に比例する。電荷遮蔽長は臨界電流密度が増加しキャリア濃度が増加するほど低下するため、臨界電流密度が増加するほど電荷結合が弱くなる。結合が弱まると、積層した固有ジョセフソン接合はそれぞれ独立した固有ジョセフソン接合としてふるまい、クロスオーバー温度が低下する。本研究は固有ジョセフソン接合では電荷結合の影響を初めて観測したものである。