Study on superconducting spintronics memory elements and their application to programmable logic circuits

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本研究では、メモリ素子の基本素子となる磁性ジョセフソン接合、特に、超伝導巨視的波動関数の電極間位相差が基底状態においてπとなるジョセフソンπ接合が重要となる。令和4年度は、この接合の磁性障壁層についてニッケル薄膜を中心に基礎的検討を行った。磁性材料を障壁層として応用する際、接合特性の制御が容易になることから磁気的特性が弱い方が望ましい。また、障壁層の数nmから十nm程度の膜厚制御の必要性から、成膜速度を小さくする必要がある。そこで、成膜速度と薄膜特性との関連性を調べた。その結果、成膜速度の減少に伴い、抵抗率が数倍程度増加することが分かった。さらに、磁気的特性を調査するための異常ホール効果の測定結果から、成膜速度の減少により、異方性磁界が大きく低減することが分かった。これらの特性変化は、ニッケル薄膜中の電子密度の変化に起因している可能性が示唆された。また、得られた実験データから、接合作製時に重要となる磁性体のコヒーレンス長を見積もった。一方、磁性ジョセフソン接合作製技術の検討として、作製プロセス高信頼化のため、陽極酸化プロセスを導入し、超伝導材料となるニオブなどの陽極酸化特性を評価した。その結果、陽極酸化速度などの基礎的データを得た。また、メモリ素子の設計においては、回路シミュレーションにより、磁性ジョセフソン接合に求められる接合特性についての基礎的検討を行った。メモリ素子の基本構造は、超伝導インダクタンスと一つの磁性ジョセフソン接合から成り、回路内では受動素子的に振る舞うことを想定しているものの、接合特性が回路の動特性に影響を与えることが分かった。