(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン三重項超伝導体の単結晶を用いた基板と、
当該基板の表面に形成されたスピン一重項超伝導体のループ層と、
を有し、
前記ループ層は、前記基板に対して実質的に接合されていないループ本体領域と、前記基板に対して接合するための第１接合用領域及び第２接合用領域と、を備え、
前記第１接合用領域及び第２接合用領域それぞれが前記基板と接合することで、［スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体］のパイ接合を有する超伝導ループが形成されている
パイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項２】
前記基板は、スピン三重項超伝導体と常伝導体との共晶によって形成され、
スピン一重項超伝導体とスピン三重項超伝導体との接合に、前記基板が有する前記常伝導体の導電性を利用した
請求項１記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項３】
前記スピン三重項超伝導体は、Ｓｒ２ＲｕＯ４である請求項１記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項４】
前記共晶は、Ｓｒ２ＲｕＯ４とＲｕとの共晶である請求項２記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項５】
前記ループ層は、Ｓｒ２ＲｕＯ４の結晶構造に含まれるＲｕＯ２面に対して平行な基板表面に形成されている請求項４記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項６】
前記基板は、Ｓｒ２ＲｕＯ４結晶、又は、Ｓｒ２ＲｕＯ４とＲｕとの共晶、によって形成され、
前記ループ層は、Ｓｒ２ＲｕＯ４の結晶構造に含まれるＲｕＯ２面に対して垂直な基板表面に形成されている請求項１記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項７】
前記ループ層は、前記基板表面上に、スピン一重項超伝導体となる物質を蒸着によって形成した蒸着膜である請求項１記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項８】
前記基板には、ループ層のループ内側位置における磁束の透過を、当該基板において容易にするための磁束透過部が設けられている請求項１記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項９】
前記基板は、スピン三重項超伝導体からなる複数の基板分割片を接着材料によって接着してなり、
前記磁束透過部は、前記基板における前記接着材料の部分である請求項８記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項１０】
前記基板は、スピン三重項超伝導体からなる基板本体を、磁束が容易に透過する材料に埋め込んで形成され、
前記磁束透過部は、前記基板において磁束が容易に透過する前記材料の部分である請求項８記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項１１】
前記磁束透過部は、前記基板に形成された孔である請求項８記載のパイ接合ＳＱＵＩＤ。
【請求項１２】
超伝導接合構造の製造方法であって、
スピン三重項超伝導体となる物質の結晶バルクを加工して、基板を形成する基板形成工程と、
前記基板表面にスピン一重項超伝導体となる物質からなる層を形成するスピン一重項超伝導体層形成工程と、
を含む超伝導接合構造の製造方法。
【請求項１３】
超伝導接合構造の製造方法であって、
スピン三重項超伝導体になる物質と常伝導体との共晶の表面に析出した常伝導体のうち、接合用の常伝導体を選択する選択工程と、
選択した接合用の常伝導体の少なくとも一部をスピン一重項超伝導体となる物質で覆う層を形成するスピン一重項超伝導体層形成工程と、
を含む超伝導接合構造の製造方法。
【請求項１４】
前記選択工程では、互いに離間する対の接合用常伝導体を選択し、
前記スピン一重項超伝導体層形成工程において形成される前記層は、選択した対の接合用常伝導体の対間隙において離間しているとともに、選択した対の接合用常伝導体それぞれをスピン一重項超伝導体となる物質で覆うものである
請求項１３記載の超伝導接合構造の製造方法。
【請求項１５】
前記スピン一重項超伝導体層形成工程において形成される前記層は、選択した接合用常伝導体上において離間しているとともに、選択した当該接合用常伝導体の一部をスピン一重項超伝導体となる物質で覆うものである
請求項１３記載の超伝導接合構造の製造方法。
【請求項１６】
前記共晶の表面に析出した常伝導体のうち、選択した接合用常伝導体以外の常伝導体を絶縁膜で覆う絶縁膜形成工程と、を更に含み、
前記スピン一重項超伝導体膜形成工程において形成される前記層は、選択した接合用常伝導体と、前記絶縁膜の少なくとも一部とを、前記スピン一重項超伝導体となる物質で覆うものである
請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の超伝導接合構造の製造方法。
【請求項１７】
前記絶縁膜形成工程では、選択した接合用常伝導体の位置に開口部が形成された絶縁膜を、前記共晶の表面に形成する
請求項１６記載の超伝導接合構造の製造方法。
【請求項１８】
前記スピン一重項超伝導体層形成工程では、前記スピン三重項超伝導体と前記スピン一重項超伝導体とによって、［スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体］のパイ接合を有する超伝導ループが形成されるように、前記層を形成する
請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の超伝導接合構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パイ接合ＳＱＵＩＤ、及び超伝導接合構造の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device：超伝導量子干渉素子）は、１個以上のジョセフソン接合（超伝導接合）を持つ超伝導体のループとして構成された素子である。
従来のＳＱＵＩＤとしては、印加電流がゼロのとき接合部における超伝導位相差がゼロである「ゼロ接合ＳＱＵＩＤ」が一般的である。ゼロ接合ＳＱＵＩＤには、通常のスピン一重項のｓ波超伝導体が用いられ、磁気センサ、脳磁計、地震計などに既に広く実用化されている。【０００３】
一方、接合部における超伝導位相差がゼロではなくπになる「パイ接合ＳＱＵＩＤ」は、ゼロ接合ＳＱＵＩＤと同様に、超高感度の磁気センサなどとして有用であるだけでなく、正または負の半磁束量子または半整数磁束量子を閉じこめる性質を用いた量子ビット（ＱＵＢＩＴ）としての応用が特に期待されている。
このようなパイ接合ＳＱＵＩＤの原理については、非特許文献１に記載されている。【０００４】
パイ接合ＳＱＵＩＤの方式としては、これまでに二種類実証されており、一つは、非特許文献２に記載されたものであり、もう一つは、非特許文献３に記載されたものである。
前者のパイ接合ＳＱＵＩＤは、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δなどの高温超伝導体とニオブ（Ｎｂ）などの通常超伝導体とを接合して構成されている。
後者のパイ接合ＳＱＵＩＤは、ニオブ（Ｎｂ）などの通常超伝導体と強磁性金属薄膜とを接合して構成されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】V.B. Geshkenbein, A.I. Larkin and A. Barone, Vortices with half magnetic flux quanta in "heavy-fermion" superconductors, Physical Review B, VOLUME 36, NUMBER 1, 1 JULY 1987, pp.235-238.
【非特許文献２】J.R. KIRTLEY, C.C. TSUEI, A.ARIANDO, C.J.M. VERWIJS, S.HARKEMA AND H.HILGENKAMP, Angle-resolved phase-sensitive determination of the in-plane gap symmetry in YBa2Cu3O7-δ, [online], 5 February 2006, <www.nature.com/naturephysics>. (Nature Physics, VOLUME 2, MARCH 2006, pp.190-194.)
【非特許文献３】A. Bauer, J. Bentner, M. Aprili, M.L. Della Rocca, M. Reinwald, W. Wegscheider, and C. Strunk, Spontaneous Supercurrent Induced by Ferromagnetic π Junctions, Physical Review Letters, VOLUME 92, NUMBER 21, 26 MAY 2004, pp.217001-1-4.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のパイ接合ＳＱＵＩＤの二方式は、いずれもスピン一重項超伝導体を用いるものであり、スピン三重項超伝導体を用いるものは実証されていない。【０００７】
また、従来のパイ接合ＳＱＵＩＤの二方式では、いずれも、薄膜層同士の接合が必要であり、その構造上、製作には高度な技術が必要である。【０００８】
本発明は、スピン三重項超伝導体が内因する性質を利用して、スピン三重項超伝導体とスピン一重項超伝導体とを用いた新方式のパイ接合ＳＱＵＩＤを提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、構造が比較的強固であるとともに製作が比較的容易であるパイ接合ＳＱＵＩＤを提供することである。
さらに、本発明は、超伝導接合構造の新たな製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、超伝導接合を有する超伝導ループによって構成されたＳＱＵＩＤであって、前記超伝導接合が、［スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体］のパイ接合であることを特徴とするパイ接合ＳＱＵＩＤである。【００１０】
スピン三重項超伝導体の単結晶を用いた基板と、当該基板の表面に形成されたスピン一重項超伝導体のループ層と、を有し、前記ループ層は、前記基板に対して実質的に接合されていないループ本体領域と、前記基板に対して接合するための第１接合用領域及び第２接合用領域とを備え、前記第１接合用領域及び第２接合用領域それぞれが前記基板と接合することで、［スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体］のパイ接合を有する超伝導ループが形成されているのが好ましい。【００１１】
前記基板は、スピン三重項超伝導体と常伝導体との共晶によって形成され、スピン一重項超伝導体とスピン三重項超伝導体との接合に、前記基板が有する前記常伝導体の導電性を利用するのが好ましい。【００１２】
前記スピン三重項超伝導体は、Ｓｒ2ＲｕＯ4であるのが好ましい。
前記基板を、スピン三重項超伝導体と常伝導体との共晶によって形成する場合、当該共晶は、Ｓｒ2ＲｕＯ4とＲｕとの共晶であるのが好ましい。【００１３】
前記基板は、Ｓｒ2ＲｕＯ4とＲｕとの共晶によって形成され、前記ループ層は、Ｓｒ2ＲｕＯ4の結晶構造に含まれるＲｕＯ2面に対して平行な基板表面に形成されているものとすることができる。【００１４】
前記ループ層は、Ｓｒ2ＲｕＯ4結晶、又は、Ｓｒ2ＲｕＯ4の結晶構造に含まれるＲｕＯ2面に対して垂直な基板表面に形成されているものとすることができる。【００１５】
前記ループ層は、前記基板表面上に、スピン一重項超伝導体となる物質を蒸着によって形成した蒸着膜であるのが好ましい。【００１６】
前記基板には、ループ層のループ内側位置における磁束の透過が特定の位置で起こるように、当該基板において透過を容易にするための磁束透過部が設けられているのが好ましい。磁束透過部としては、半磁束量子に対応する磁束が容易に検出できるように微小面積の非超伝導体の領域を設けることが望ましい。【００１７】
前記基板は、スピン三重項超伝導体からなる複数の基板分割片を接着材料によって接着してなり、前記磁束透過部は、前記基板における前記接着材料の部分であるのが好ましい。また、前記基板は、スピン三重項超伝導体からなる基板本体を、磁束が容易に透過する材料に埋め込んで形成され、前記磁束透過部は、前記基板において磁束が容易に透過する前記材料の部分であるのが好ましい。あるいは、前記磁束透過部は、前記基板に形成された孔としてもよい。【００１８】
本発明に係る超伝導接合構造の製造方法は、スピン三重項超伝導体となる物質の結晶バルクを加工して、基板を形成する基板形成工程と、前記基板表面にスピン一重項超伝導体となる物質からなる層を形成するスピン一重項超伝導体層形成工程と、を含む。【００１９】
他の観点からみた超伝導接合構造の製造方法は、スピン三重項超伝導体になる物質と常伝導体との共晶の表面に析出した常伝導体のうち、接合用の常伝導体を選択する選択工程と、選択した接合用の常伝導体の少なくとも一部をスピン一重項超伝導体となる物質で覆う層を形成するスピン一重項超伝導体層形成工程と、を含む。【００２０】
前記選択工程では、互いに離間する対の接合用常伝導体を選択し、前記スピン一重項超伝導体層形成工程において形成される前記層は、選択した対の接合用常伝導体の対間隙において離間しているとともに、選択した対の接合用常伝導体それぞれをスピン一重項超伝導体となる物質で覆うものであるのが好ましい。
あるいは、前記選択工程で接合用常伝導体を選択し、前記スピン一重項超伝導体層形成工程において形成される前記層は、選択した接合用常伝導体上において離間しているとともに、選択した当該接合用常伝導体の一部をスピン一重項超伝導体となる物質で覆うものであってもよい。【００２１】
前記共晶の表面に析出した常伝導体のうち、選択した接合用常伝導体以外の常伝導体を絶縁膜で覆う絶縁膜形成工程と、を更に含み、前記スピン一重項超伝導体膜形成工程において形成される前記層は、選択した接合用常伝導体と、前記絶縁膜の少なくとも一部とを、前記スピン一重項超伝導体となる物質で覆うものであるのが好ましい。【００２２】
前記絶縁膜形成工程では、選択した接合用常伝導体の位置に開口部が形成された絶縁膜を、前記共晶の表面に形成するのが好ましい。【００２３】
前記スピン一重項超伝導体層形成工程では、前記スピン三重項超伝導体と前記スピン一重項超伝導体とによって、［スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体］のパイ接合を有する超伝導ループが形成されるように、前記層を形成することで、パイ接合ＳＱＵＩＤが得られる。
【発明の効果】
【００２４】
パイ接合超伝導量子干渉素子に係る本発明によれば、スピン三重項超伝導体とスピン一重項超伝導体とを用いた新方式のパイ接合を有するパイ接合超伝導量子干渉素子が得られる。
また、スピン三重項超伝導体の単結晶を用いた基板の表面に、スピン一重項超伝導体のループ層を形成した場合、比較的強固な構造で、製作が比較的容易となる。【００２５】
超伝導接合構造の製造方法に係る本発明によれば、スピン三重項超伝導体とスピン一重項超伝導体との接合構造が得られる。
また、スピン三重項超伝導体になる物質と常伝導体との共晶の表面に析出した析出常伝導体を、スピン三重項超伝導体とスピン一重項超伝導体との接合に利用して接合箇所での導電性を確保した場合、スピン三重項超伝導体表面の導電性が悪くても、両者の確実な接合が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は実施形態に係るパイ接合構造を示す断面図であり、（ｂ１）〜（ｂ４）は、当該パイ接合構造の製造工程を示す工程図である。
【図２】層状ルテニウム酸化物（Ｓｒ2ＲｕＯ4）の結晶構造を示す図である。
【図３】Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の表面の光学顕微鏡写真である。
【図４】実施形態に係るパイ接合構造の臨界電流Ｉｃ−温度Ｔ特性を示す図である。
【図５】実施形態に係るパイ接合構造の位相差を示す図である。
【図６】パイ接合ＳＱＵＩＤの概略図である。
【図７】第１例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法における前処理工程を示す図である。
【図８】第１例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法における選択工程を示す図である。
【図９】第１例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法における絶縁膜形成工程を示す図である。
【図１０】第１例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法にけるＰｂ膜形成工程を示す図である。
【図１１】第１例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法におけるＰｂ膜加工工程を示す図である。
【図１２】第２例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法における絶縁膜形成工程を示す図である。
【図１３】第２例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法におけるＰｂ膜形成工程を示す図である。
【図１４】第２例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法におけるＰｂ膜加工工程を示す図である。
【図１５】（ａ）は接合構造の他の例を示す断面図であり、（ｂ）は当該他の例の斜視図である。
【図１６】第３例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法における選択工程を示す図である。
【図１７】第３例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの製法においてＰｂ膜が形成された状態を示す図である。
【図１８】変形例に係るパイ接合ＳＱＵＩＤの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００２８】
［１．超伝導パイ接合構造］
［１．１  接合構造体の概要］
図１（ａ）は、実施形態に係る超伝導パイ接合構造１を示している。この接合構造１は、スピン三重項超伝導体となる物質によって形成された基板２の表面２ａに、真空熱蒸着法などによりスピン一重項超伝導体となる物質の層（厚膜：蒸着膜）３ａ，３ｂを形成し、当該層３ａ，３ｂを集束イオンビーム法（ＦＩＢ）によって所望の形状に微細加工して得たものである。このため、この接合構造１は、製作が容易であって、しかも比較的強固な基板２上に膜３ａ，３ｂを形成しているため全体として強固な構造となっている。
【００２９】
［１．２  スピン一重項超伝導体とスピン三重項超伝導体］
スピン一重項とは、２個の電子によって形成されるクーパー対の合成スピンがＳ＝０であるものをいい、スピン三重項とは、クーパー対の合成スピンがＳ＝１であるものをいう。これまでに知られているほとんどの超伝導体は、スピン一重項超伝導体である。
【００３０】
ここで、電子はフェミル粒子であるため、状態ベクトル（軌道部分とスピン部分の積で表される）全体としては、反対称となる。
スピン一重項超伝導体では、スピン部分が反対称であるため、軌道部分の波動関数は対称となり、波動関数の空間対称性（偶パリティ）という性質を有している。
一方、スピン三重項超伝導体では、スピン部分が対称となるため、軌道部分の波動関数は反対称となる。つまり、スピン三重項超伝導体では、内因的に、波動関数の空間反対称性（奇パリティ）という性質を有している。
【００３１】
スピン三重項超伝導体としては、ストロンチウムとルテニウムの酸化物であるＳｒ2ＲｕＯ4（「ルテニウム酸化物」）がある。なお、Ｓｒ2ＲｕＯ4は、ｐ波超伝導体である。このＳｒ2ＲｕＯ4が、超伝導体であることは、本発明者の前野らによって発見された。
【００３２】
以下では、スピン三重項超伝導体としてＳｒ2ＲｕＯ4を採用し、スピン一重項超伝導体としてＰｂを採用した場合について説明する。Ｓｒ2ＲｕＯ4の転移温度Ｔｃは約１．５Ｋであり、Ｐｂの転移温度は、約７．２Ｋである。つまり、Ｔｃ（Ｓｒ2ＲｕＯ4）＜Ｔｃ（Ｐｂ）である。
なお、スピン三重項超伝導体である他の物質としては、現在のところ、ＵＰｔ3やＬｉ2Ｐｔ3Ｂが有力視されている。また、スピン一重項超伝導体としては、数多くのものが存在するため、特に、Ｐｂに限定されるものではなく、例えば、Ｎｂを採用してもよい。
【００３３】
［１．３  Ｓｒ2ＲｕＯ4基板］
本実施形態では、スピン三重項超伝導体からなる基板２として、Ｓｒ2ＲｕＯ4の単結晶を用いた。スピン三重項超伝導体は、結晶の乱れを嫌うため、スピン三重項超伝導体は単結晶とするのが好適である。Ｓｒ2ＲｕＯ4の純良単結晶の育成は、例えば、フローティング・ゾーン法によって行うことができる。
【００３４】
本実施形態においては、スピン三重項超伝導体によって基板２を構成したため、（スピン三重項超伝導体以外の物質によって形成された）基板上に、スピン三重項超伝導体の膜（層）を形成するという工程を行う必要がない。
スピン三重項超伝導体の単結晶バルクを育成するのに比べ、スピン三重項超伝導体の単結晶の膜を形成するのは困難である。このため、接合用のスピン三重項超伝導体の形成のために、薄膜形成技術を利用しようとすると、製作が困難になる。
これに対し、本実施形態では、スピン三重項超伝導体を基板２として利用するものであるため、フローティング・ゾーン法などによって育成したスピン三重項超伝導体の結晶バルクを、切削加工等によって、基板２としての所望形状（例えば、板状）に加工すれば良い。したがって、製作が比較的容易である。
【００３５】
［１．３．１  Ｓｒ2ＲｕＯ4の結晶構造］
スピン三重項超伝導体となるＳｒ2ＲｕＯ4（層状ルテニウム酸化物）の結晶構造は、図２に示すように、層状ペロブスカイト構造であり、ＲｕＯ2面１０が積層している。
以下では、図２の結晶構造において、ＲｕＯ2面１０に平行であって互いに直交する２方向を、それぞれ、ａ方向及びｂ方向と呼び、ＲｕＯ2面１０に平行な面を「ａｂ面」と呼ぶこととする。また、ａｂ面１０に垂直な方向をｃ方向と呼び、ｂ方向に垂直な面をａｃ面と呼び、ａ方向に垂直な面をｂｃ面と呼ぶこととする。
層状構造を反映して前記ａｂ面方向には導電性が良い。しかしながら結晶表面での原子配列を反映して、結晶表面への接触抵抗の点からは、前記ａｂ面（ＲｕＯ2面に平行な面）は、導電性が比較的悪く、前記ａｃ面及び前記ｂｃ面は、導電性が比較的良好である。
【００３６】
［１．３．２  Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系］
また、本実施形態では、基板２の材料として、Ｓｒ2ＲｕＯ4とＲｕとの共晶（Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系）を用いる。Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系は、Ｓｒ2ＲｕＯ4の結晶バルク育成のために、高温で溶融した液体のＳｒ2ＲｕＯ4を冷却する際に、常伝導体（常伝導金属）であるＲｕが析出し、単結晶Ｓｒ2ＲｕＯ4に規則的に薄片状のＲｕが埋め込まれた状態となったものである。
図３は、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の表面の光学顕微鏡写真であり、白色線状の明るい領域がＲｕを示し、灰色の暗い領域がＳｒ2ＲｕＯ4である。
【００３７】
［１．４  [スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体]の接合（近接接合）］
図１（ａ）のパイ接合構造では、基板２表面上に形成された層３ａ，３ｂは、互いに離間する第１領域３ａ及び第２領域３ｂを有している。これにより、［第１領域３ａ／基板２／第２領域３ｂ］の接合が、［スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体］の接合となっている。
【００３８】
さて、Ｓｒ2ＲｕＯ4のバルクを基板２に加工する際に、前記ｂｃ面や前記ａｃ面は、結晶表面で比較的導電性が良いため、前記ｂｃ面又は前記ａｃ面が、基板２において層３ａ，３ｂなどが形成される形成面２ａとなるように加工すると、ＰｂとＳｒ2ＲｕＯ4との接合が確実に得られて有利である。
一方、前記ａｂ面が、基板２において層３ａ，３ｂなどが形成される形成面２ａとなるように加工するのが、基板２の加工容易性上、有利である。しかし、前記ａｂ面は結晶の表面では導電性が悪いため、ａｂ面表面からなる形成面２ａ上に層３ａ，３ｂを形成すると、両者の確実な接合を得ることは困難である。
【００３９】
そこで、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の表面に析出したＲｕ（常伝導体）４ａ，４ｂを、ＰｂとＳｒ2ＲｕＯ4との接合に利用する。
Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の表面に析出した多数のＲｕのうち、選択した一対の離間したＲｕを、層３ａ，３ｂとの接合用とし、このＲｕを介して、ＰｂとＳｒ2ＲｕＯ4とが確実に接合されている。
このように、図１（ａ）では、Ｒｕ（常伝導体）を含む共晶系を利用することにより、［Ｐｂ／Ｒｕ−Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ／Ｐｂ］の接合構造となっており、換言すると、［スピン一重項超伝導体／常伝導体−スピン三重項超伝導体−常伝導体／スピン一重項超伝導体］の接合構造となっている。
【００４０】
［１．５  [Ｐｂ／Ｒｕ−Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ／Ｐｂ]接合構造の製法］
図１（ａ）に示す接合構造を製作するには、まず、図１（ｂ１）に示すように、基板２となるＳｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の表面２ａに析出したＲｕのうち、一対の離間したＲｕ４ａ，４ｂを、第１及び第２接合用常伝導体として選択する（選択工程）。Ｒｕ４ａ，４ｂの対間隔は、１０μｍ程度又はそれ以下が好ましい。
【００４１】
続いて、図１（ｂ２）に示すように、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の表面２ａに対し、選択したＲｕ４ａ，４ｂを判別するための目印、又は後のＰｂ除去工程におけるＰｂ除去範囲を示すための目印、となる凹部６，６を形成する（目印形成工程）。凹部６の形成は、集束イオンビーム法（ＦＩＢ）によって行う。これらの凹部６，６の位置は、選択したＲｕ４ａ，４ｂを判別できる位置又は後のＰｂ除去工程におけるＰｂ除去範囲を示すことができる位置であれば特に限定されないが、図１（ｂ２）に示すような位置が好ましい。
【００４２】
さらに、図１（ｂ３）に示すように、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の表面２ａに、選択したＲｕ４ａ，４ｂを覆うＰｂ厚膜を蒸着法によって形成する（Ｐｂ（スピン一重項超伝導体）膜形成工程）。このＰｂ厚膜の厚さは、１μｍ程度又はそれ以下が好ましい。
【００４３】
そして、図１（ｂ４）に示すように、凹部６，６を目印として、所定範囲のＰｂ膜を、ＦＩＢによって除去する（Ｐｂ（スピン一重項超伝導体）除去工程）。
この除去工程では、前記凹部６，６を目印として、Ｐｂ膜を、第１接合用常伝導体（第１Ｒｕ）４ａ側の第１領域３ａと、第２接合用常伝導体（第２Ｒｕ）４ｂ側の第２領域３ｂとに区分けするための離間部７が、第１接合用常伝導体４ａと第２接合用常伝導体４ｂとの間の位置（対間隙）に形成される。また、Ｐｂ膜のうち、その他の不要な領域も除去される。離間部７の幅（第１領域３ａと第２領域３ｂとのギャップ）は、数μｍ程度（例えば２μｍ程度）又はそれ以下が好ましく、更には、０．５μｍ程度又はそれ以下が好ましい。
【００４４】
［２．Ｐｂ／Ｓｒ2ＲｕＯ4／Ｐｂ接合構造の特性］
上述のようにして得られた接合構造において、図１（ｂ４）に示すように、Ｐｂ膜からなる層の第１領域３ａ及び第２領域３ｂそれぞれに電流を測定するための電極と、電圧を測定するための電極とを取り付けて測定を行った結果を、図４に示す。
【００４５】
図４は、Ｐｂ／Ｓｒ2ＲｕＯ4／Ｐｂ接合の臨界電流Ｉｃ−温度Ｔ特性を示している。図４のＩｃ−Ｔ特性に示すように、Ｓｒ2ＲｕＯ4の転移温度Ｔｃより高い範囲で、温度Ｔを低下させていくと、臨界電流Ｉｃは増大していくが、温度ＴがＳｒ2ＲｕＯ4の転移温度Ｔｃになって、Ｓｒ2ＲｕＯ4が超伝導転移すると、臨界電流Ｉｃが一旦低下する。さらに温度Ｔを低下させると、臨界電流Ｉｃは再び上昇する。
【００４６】
Ｓｒ2ＲｕＯ4の転移温度Ｔｃ付近で臨界電流Ｉｃが抑制されるのは、Ｐｂからの近接効果によって誘起されたスピン一重項超伝導（ｓ波超伝導）と、Ｓｒ2ＲｕＯ4結晶のスピン三重項超伝導（ｐ波超伝導）との競合のためと考えられる（C. Honerkamp and M. Sigrist, "The Competition between the 0- and π-Phase Shift in the Pb-Sr2RuO4-Pb Junction", Progress of Theoretical Physics, Vol. 100, No. 1, pp. 53-61, July 1998  参照）。
図４に示すような特異なＩｃの温度依存性Ｉｃ（Ｔ）は、Ｓｒ2ＲｕＯ4がスピン三重項超伝導体（奇パリティ）であることを示している。仮に、Ｓｒ2ＲｕＯ4がＰｂと同じスピン一重項超伝導体（偶パリティ）であるとすると、Ｓｒ2ＲｕＯ4の転移温度Ｔｃの前後の範囲において温度Ｔが低下すると、臨界電流Ｉｃは漸次増加するはずだからである。
【００４７】
さらに、図４に示すＩｃの温度依存性Ｉｃ（Ｔ）は、図５に示すように、Ｐｂ／Ｓｒ2ＲｕＯ4／Ｐｂ接合が、温度Ｔ＜Ｔｃ（Ｓｒ2ＲｕＯ4）＝１．５Ｋにおいて、超伝導位相差がゼロであるゼロ接合（図５（ｂ）（ｄ）参照）から、超伝導位相差がπであるパイ接合の混じった中間位相状態（図５（ｂ）（ｃ）参照）にスイッチングしたことを意味する。
つまり、Ｐｂ／Ｓｒ2ＲｕＯ4／Ｐｂ接合は、Ｓｒ2ＲｕＯ4の転移温度Ｔｃより十分低い温度範囲において、超伝導パイ接合となっている。
【００４８】
［３．パイ接合ＳＱＵＩＤ］
図６は、上述の超伝導パイ接合（Ｐｂ／Ｓｒ2ＲｕＯ4／Ｐｂ接合）１を有する超伝導ループ（ＳＱＵＩＤ）１１を示している。この超伝導ループ１１は、ギャップを有するループ本体をスピン一重項超伝導体（Ｐｂ）にて形成し、ループ本体のギャップに、スピン三重項超伝導体（Ｓｒ2ＲｕＯ4）を設けた接合部１を有している。この接合部１は、パイ接合であるから、この超伝導ループ１１は、パイ接合ＳＱＵＩＤとなっている。なお、前記超伝導ループにおいて、スピン一重項超伝導体とスピン三重項超伝導体とには、それぞれ、２本ずつの電極１３，１４が接続される。
【００４９】
この超伝導ループ（パイ接合ＳＱＵＩＤ）１１では、ループ内部中空部が、磁束透過用の磁束透過部１２となっている。パイ接合ＳＱＵＩＤ１１では、磁束透過部１２において、プラスまたはマイナスの半磁束量子φ0／２が、自発的に発生する（半磁束量子の閉じ込め）。この超伝導ループ１１は、そのインダクタンスをＬとすると、Ｌ・Ｉｃ＞φ0／２となるように形成されている。
【００５０】
このように、本実施形態では、スピン三重項超伝導体の特質を利用し、スピン一重項超伝導体と組み合わせることで、新奇な原理によるパイ接合ＳＱＵＩＤが構成されている。このパイ接合ＳＱＵＩＤは、精密磁化測定装置、脳磁計、地震計、量子ビット（ＳＱＵＩＤ量子ビット）などに用いることができる。
【００５１】
［３．１  パイ接合ＳＱＵＩＤの製法の第１例］
図７〜図１１は、前述のパイ接合ＳＱＵＩＤの製法の第１例を示している。この製法は、前述の[Ｐｂ／Ｒｕ−Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ／Ｐｂ]接合構造の製法を応用したものであり、パイ接合ＳＱＵＩＤの製法に関して特に説明しない点については、先に説明した[Ｐｂ／Ｒｕ−Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ／Ｐｂ]接合構造の製法についての説明事項が援用される。
【００５２】
図７は、基板２形成のための前処理工程を示している。まず、フローティング・ゾーン法などによって育成したＳｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶系の結晶バルクを、切削加工等によって、基板２としての所望形状（例えば、板状体２０）に加工する（図７（ａ））。そして、この板状体２０を、所定の切断線に沿って、切断し、複数（２つ）の基板分割片２１，２１を得る（図７（ｂ））。
さらに、基板分割片２１，２１の切断面２１ａに銀ペーストやアルミナ接着剤などの接着材料２２を塗布し、熱処理を行って、両基板分割片２１，２１を接着して、基板２を構成する。超伝導体自体は磁束が透過しにくいが、超伝導体ではない接着材料の部分は、磁束が容易に透過する。これにより、基板２を超伝導体で形成しつつも、接着材料２２の部分において磁束が透過する基板２が得られる。なお、接着材料２２の部分が、平坦になるように、接着した後、基板２の表面を研磨するのが好ましい。
【００５３】
次に、図８に示すように、基板２の表面（ａｂ面）２ａに析出した多数のＲｕ４の中から、一対の接合用のＲｕ（接合用常伝導体）４ａ，４ｂを選択する（選択工程）。なお、図８に示す選択工程は、図７に示す前処理工程より先に行っても良い。
【００５４】
続いて、図９に示すように、基板２の表面２ａに、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁材料からなる絶縁膜５を形成する（絶縁膜形成工程）。絶縁膜５は、基板２の表面２ａの所定範囲（全範囲であってもよい）に形成され、選択した接合用のＲｕ４ａ，４ｂを露出させるための開口部５ａを有している。この絶縁膜５は、所定のマスクパターンを用いた露光装置（Lithography）によって形成される。
【００５５】
絶縁膜５が形成された範囲においては、選択した接合用のＲｕ４ａ，４ｂ以外のＲｕ４が絶縁膜５によって覆われており、この絶縁膜５が形成された範囲において、当該絶縁膜５の上に形成されるスピン一重項超伝導体が基板２と接合するのを阻止している。
なお、絶縁膜５が形成される範囲は、接着材料部分２２も覆う範囲として設定されている。
【００５６】
さらに、図１０に示すように、絶縁膜５上に、スピン一重項超伝導体となる物質であるＰｂ（又はＮｂ）の蒸着厚膜３が形成される。このＰｂ膜３は、絶縁膜５の開口部５ａ内にも形成されるため、選択された接合用のＲｕ４ａ，４ｂ上に、直接、Ｐｂ膜３が形成されることになる。なお、Ｐｂ膜３が形成される範囲は、接着材料部分２２と重なるように設定される。
【００５７】
最後に、図１１に示すように、ＦＩＢによって、Ｐｂ膜３（及び絶縁膜５）の一部を除去することにより、Ｐｂ膜３を所定の形状に加工する。
図１１の加工工程では、Ｐｂ膜３を、外側のループ部（ループ層）３１と内側部３２とに区分けするとともに、ループ部（ループ層）３１中に、その一部が欠如したギャップ（離間部）３３を形成するための溝３５を、ＦＩＢによって形成することで行われる。
ギャップ（離間部）３３は、選択した一対のＲｕ４ａ，４ｂの間の位置において、ループ部３１を、その径内外方向に切断するように形成されたものである。
【００５８】
なお、基板２に凹部６を形成しておき、その凹部６を目印にＰｂ膜の加工をおこなってもよい。また、Ｐｂ膜の内側部３２を残す必要はなく、内側部３２に相当する範囲のＰｂ膜３を除去してもよい。
【００５９】
以上により、ループ部（ループ層）３１は、絶縁膜５の上に形成されているために基板２に対して実質的に接合されていないループ本体領域３１ｃと、前記開口部５ａ内の位置において基板２に対して接合している接合用領域３１ａ，３１ｂと、を備えることになる。
また、接合用領域３１ａ，３１ｂは、ギャップ（離間部）３３の存在により、接合用の第１のＲｕ４ａに接合する第１接合用領域３１ａと、接合用の第２のＲｕ４ｂに接合する第２接合領域３１ｂとに区分けされる。
【００６０】
このようにして得られた［第１接合用領域３１ａ／基板２／第２接合用領域３１ｂ］の接合は、前述の超伝導パイ接合構造と同様に、［スピン一重項超伝導体（Ｐｂ）／スピン三重項超伝導体（Ｓｒ2ＲｕＯ4）／スピン一重項超伝導体（Ｐｂ）］のパイ接合となっている。ループ本体領域３１ｃのギャップ部３３に、このパイ接合が形成されることで、超伝導ループ１１からなるパイ接合ＳＱＵＩＤが構成される。
【００６１】
また、ＦＩＢによって形成される溝３５は、接着材料２２上に位置するように形成される。したがって、接着材料２２の位置が磁束透過部１２となり、パイＳＱＵＩＤにおいて自発的に発生する半磁束量子φ0／２が、ループ層３の内側において基板２を透過することができる。
【００６２】
また、図６の電極１３，１４に対応して、図１１に示すように、基板２の側面に電極１３，１３、ループ本体領域３１ｃに電極１４，１４が接続される。基板２の側面は、導電性の良い前記ａｃ面又は前記ｂｃ面となるため、Ｒｕを利用する必要がなく、電極１３，１３の接続が容易である。
【００６３】
［３．２  パイ接合ＳＱＵＩＤの製法の第２例］
図１２〜図１４は、パイ接合ＳＱＵＩＤの製法の第２例を示している。第２例に係る製法においても、第１例に係る製法と同様に、前処理工程（図７参照）及び選択工程（図８参照）が行われる。
そして、図１２に示すように絶縁膜形成工程が行われた後、図１３に示すようにＰｂ膜の形成工程が行われる。なお、図１２及び図１３に示す工程は、第１例に係る図９及び図１０に示す工程と実質的に同一のものであり、相違するのは形成される膜３，５の形状だけである。
【００６４】
Ｐｂ膜を形成した後、図１４に示すように、ＦＩＢによって、Ｐｂ膜３（及び絶縁膜５）の一部を除去することにより、Ｐｂ膜３を所定の形状に加工する加工工程が行われる。
図１４の加工工程では、Ｐｂ膜３を、外側部３０及び内側部３２と、外側部３０及び内側部３２の間にあるループ部（ループ層）３１とに区分けするとともに、ループ部（ループ層）３１中に、その一部が欠如したギャップ（離間部）３３を形成するための溝３５を、ＦＩＢによって形成することで行われる。
第２例に係る加工工程（図１４）では、第１例に係る加工工程（図１１）とは異なり、Ｐｂ膜３に外側部３０が形成される。
【００６５】
第２例に係る加工工程のように加工を行うことで、一つのＰｂ膜内に複数のループ部３１を形成することが可能であり、したがって、一つの基板２上に複数のパイ接合ＳＱＵＩＤを形成することができる。
【００６６】
第２例に係る加工工程によって形成されたループ部（ループ層）３１も、第１例に係る加工工程によって形成されたループ部（ループ層）３１と同様のものであり、パイ接合を有する超伝導ループ１１からなるパイ接合ＳＱＵＩＤが構成される。
【００６７】
［３．３  パイ接合ＳＱＵＩＤの製法の第３例］
図１５は、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶の表面に析出したＲｕ（常伝導体）４ａ，４ｂを、ＰｂとＳｒ2ＲｕＯ4との接合に利用する接合構造の他の例を示している。図１５に示す接合構造も、［スピン一重項超伝導体／スピン三重項超伝導体／スピン一重項超伝導体］の接合となっている。
【００６８】
図１に示す接合構造では、前述のように、基板２表面上に形成された層(Ｐｂ)３ａ，３ｂにおいて互いに離間する第１領域３ａ及び第２領域３ｂは、それぞれ、異なるＲｕ（常伝導体）４ａ，４ｂを介して、Ｓｒ2ＲｕＯ4と接合されている。
これに対し、図１５に示す接合構造では、第１領域３ａ及び第２領域３ｂは、いずれも個別のＲｕ（常伝導体）４ｃを介して、Ｓｒ2ＲｕＯ4と接合されている。つまり、図１５に示す接合用常伝導体（Ｒｕ）４ｃは、互いに離間した第１領域３ａ及び第２領域３ｂを架け渡すように配置されている。なお、第１領域３ａと第２領域３ｂとのギャップは、数μｍ程度（例えば２μｍ程度）又はそれ以下が好ましく、更には、０．５μｍ程度又はそれ以下が好ましい。
【００６９】
図１５に示すように共通の接合用常伝導体（Ｒｕ）４ｃを介して第１領域３ａと第２領域３ｂをＳｒ2ＲｕＯ4と接合した場合でも、図１の接合構造における接合特性（図４参照）と同様の振る舞いを示すことが実験的に確認された。
つまり、[Ｐｂ／Ｓｒ2ＲｕＯ4／Ｐｂ]接合の接合特性は、Ｐｂ−Ｐｂ（第１領域３ａ−第２領域３ｂ）間のＲｕの配置によらず、同様の振る舞いを生じることができる。
【００７０】
図１６及び図１７は、図１５に示す接合構造を利用するパイ接合ＳＱＵＩＤの製法（第３例）を示している。第３例に係る製法においても、前処理工程、選択工程、絶縁膜形成工程、及び、スピン一重項超伝導体膜形成工程（Ｐｂ膜の形成工程及びＰｂ膜の加工工程）が行われる。
【００７１】
第３例に係る製法における前処理工程は、第１例に係る製法における前処理工程と実質的に同じである。
【００７２】
第３例に係る製法における選択工程では、基板２の表面（ａｂ面）２ａに析出した多数のＲｕ４の中から、１以上の接合用のＲｕ（接合用常伝導体）４ｃが選択される。なお、以下では、１個のパイ接合ＳＱＵＩＤについて接合用Ｒｕを１個だけ選択した場合について説明するが、１個のパイ接合ＳＱＵＩＤについて接合用Ｒｕを複数選択してもよい。
また、同一の基板２上に、複数のパイ接合ＳＱＵＩＤを形成する場合には、複数のパイ接合ＳＱＵＩＤそれぞれに用いられる接合用Ｒｕを個別に選択すればよい。
【００７３】
第３例に係る製法における絶縁膜形成工程は、第１例に係る製法における同工程とほぼ同様である。ここでは、絶縁膜５に形成される開口部５ａは、選択された単一のＲｕ４ｃを露出させるためのものとなる。
【００７４】
続いて行われるＰｂ膜形成工程も第１例と同様である。Ｐｂ膜形成工程の後に行われるＰｂ膜加工工程では、Ｐｂ膜３を、外側のループ部（ループ層）３１と内側部３２とに区分けするとともに、ループ部（ループ層）３１中に、その一部が欠如したギャップ（離間部）３３を形成するための溝３５を、ＦＩＢによって形成することで行われる。
第３例では、図１６に示すように、ギャップ（離間部）３３は、選択したＲｕ４ｃの長手方向ほぼ中央位置を横断するように形成される。なお、図１６では、理解の容易のため、絶縁膜５の図示を省略している。
【００７５】
ループ部３１は、ギャップ（離間部）３３の存在により、接合用Ｒｕ４ｃの長手方向一端側に接合する第１接合領域３１ａと、当該接合用Ｒｕ４ｃの長手方向他端に接合する第２接合領域３１ｂとに区分けされる。つまり、接合用Ｒｕ４ｃは、第１接合領域３１ａと第２接合領域３１ｂとを架け渡すように位置している。
【００７６】
［４．変形例］
上記において開示した事項は、例示であって、本発明を限定するものではなく、様々な変形が可能である。
例えば、Ｓｒ2ＲｕＯ4における前記ｂｃ面や前記ａｃ面を、Ｐｂ膜との接合に用いても良い。前記ｂｃ面や前記ａｃ面は、結晶表面の導電性が比較的良いため、前記ｂｃ面や前記ａｃ面をＰｂ膜との接合に用いた場合には、析出Ｒｕを接合に利用する必要がなくなり、製造が容易となる。
【００７７】
図７において、磁束透過部１２を形成するために、板状体２０を切断した後、接着する例を示したが、板状体２０を切断せずにアルミナ硬化剤などの磁束が容易に透過する材料に埋め込んで固めた後、表面研磨した物を、基板２として用いてもよい。つまり、前処理工程２において、基板の切断・接着を行うのに代えて、板状体２０の周囲に磁束が容易に透過する材料４０を形成し、その材料４０の部分を磁束透過部１２としてもよい。
【００７８】
具体的には、まず、ペースト状のアルミナ硬化剤を、図示しないモールドに流し込むとともに、アルミナ硬化剤中に、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶からなる板状体２０を埋め込む。そして、アルミナ硬化剤を加熱によって硬化させる。これにより、図１８（ａ）に示すように、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶からなる板状体（基板本体）２０の周囲に、アルミナ硬化剤からなる外側部材４０が一体的に形成された基板２を得る。
なお、板状体２０は、その表面（ａｂ面）２０ａが、外側部材４０の表面４０ａと面一となり、その側面の一つ２０ｂ（ｂｃ面又はａｃ面）が、外側部材４０の側面４０ｂと面一となるように配置される。
基板２のうち、少なくとも、板状体表面２０ａ及び外側部材表面４０ａからなる面、及び板状体側面２０ｂ及び外側部材側面４０ｂからなる面には、研磨が施される。
【００７９】
そして、図１８（ｂ）に示すように、基板２の表面２０ａ，４０ａに、開口部５ａを有する絶縁膜５を形成する。この絶縁膜５は、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶からなる板状体２０表面２０ａのほぼ全体と、外側部材表面４０ａの一部とを覆うように形成される。ただし、一対の接合用のＲｕ４ａ，４ｂは、開口部５ａによって露出する。
【００８０】
さらに、図１８（ｂ）に示すように、絶縁膜５上に、スピン一重項超伝導体となる物質であるＰｂ（又はＮｂ）の蒸着厚膜が形成され、ＦＩＢによって、Ｐｂ膜からなるループ部（ループ層）３１を形成する。
このループ部３１のループ内側領域の一部が、外側部材４０上に位置する。この外側部材４０上に位置するループ内側領域では、基板２の厚さ方向にみて超伝導体が存在せず、磁束透過部１２となる。
また、図６の電極１３，１４に対応して、板状体２０の側面２０ｂに電極１３，１３が接続され、ループ部３１のループ本体領域３１ｃに電極１４，１４が接続される。
【００８１】
また、磁束透過部１２の他の例としては、Ｓｒ2ＲｕＯ4−Ｒｕ共晶からなる基板２を貫通する孔を形成し、その孔の部分を磁束透過部１２としたものでもよい。つまり、前処理工程２において、基板の切断・接着を行うのに代えて、基板２において磁束透過部１２としたい位置に孔を形成すればよい。
【符号の説明】
【００８２】
１  超伝導パイ接合構造
２  基板（スピン三重項超伝導体）
４ａ  第１接合用常伝導体（析出常伝導体）
４ｂ  第２接合用常伝導体（析出常伝導体）
４ｃ  接合用常伝導体（析出常伝導体）
５  絶縁膜
５ａ  開口部
１１  超伝導ループ
１２  磁束透過部
２０  板状体（基板本体）
２１  基板分割片
２２  接着材料
３１  ループ部（ループ層）
３１ａ  第１接合用領域
３１ｂ  第２接合用領域
４０  外側部材（磁束が容易に透過する材料）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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