(57)【要約】【課題】整流回路や限流装置のような超伝導コイルを用いた回路において、ダイオードのような整流素子について、抵抗を小さく、電力の損失を少なくし、さらに大きな電流でも適用できるようにする超伝導整流素子を提供する。【解決手段】薄板状の超伝導体の一方、または両方の面に複数の溝または穴からなる凹部を形成し、電流が流れる方向に垂直な断面において溝または穴からなる凹部が一方の側で実質的に垂直な壁を有し、他方の側で緩く傾斜した面となる非対称な形状を有し、その非対称な形状により、量子化磁束に作用するローレンツ力に対するピンニング作用が、電流の順逆方向に対して非対称になるようにする。【選択図】  図５
2006179872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状の超伝導体の一方または両方の面に、電流の流れる方向に平行に複数の溝または穴からなる凹部を、その各々の断面形状が電流の流れる方向に関して非対称形となるように形成し、その非対称形状により薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくする整流作用の機能を有する超伝導導体。
【請求項２】
薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の列をなす細孔を穿設して配列し、該細孔の各列における細孔の数が電流の流れる方向に垂直な方向に列毎に漸次変化し、各列における細孔の数の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細孔を配列することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくする整流作用の機能を有する超伝導導体。
【請求項３】
薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の細溝を形成して配列し、該複数の細溝における隣接細溝の間隔が漸次変化し、該間隔の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細溝を配設することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくする整流作用の機能を有する超伝導導体。
【請求項４】
前記薄板状の超伝導体において作製時に導入される不均質部分を少なくする方法で作製された超伝導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超伝導導体。
【請求項５】
前記薄板状の超伝導体が電子ビーム蒸着法により形成された第２種超伝導体としてのＮｂ膜からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超伝導導体。
【請求項６】
前記凹部、細孔または細溝を常伝導金属で埋めたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超伝導導体。
【請求項７】
前記凹状の部分、細孔または細溝を形成した超伝導体よりも臨界温度及び臨界磁場が小さい他の超伝導体で前記凹部を埋めたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超伝導導体。
【請求項８】
前記凹部、細孔または細溝がフォトリソグラフィー法、Ｘ線リソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、イオンビームリソグラフィー法を含むマイクロリソグラフィー法あるいはナノプリンティング法を用いた微細加工技術により階段形状で近似して形成されたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の超伝導導体。
【請求項９】
薄板状の超伝導体の一方または両方の面に、電流の流れる方向に平行に複数の溝または穴からなる凹部を、その各々の断面形状が電流の流れる方向に関して非対称形となるように形成し、その非対称形状により薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくしたことを特徴とする超伝導整流素子。
【請求項１０】
前記凹部が前記薄板状の超伝導体の一方の面において、一方の側における超伝導体面に実質的に垂直な面と他方の側における超伝導体面に対して緩く傾斜した面とを有する複数の溝として形成されたものであることを特徴とする請求項９に記載の超伝導整流素子。
【請求項１１】
前記凹部が前記薄板状の超伝導体の一方の面に形成された第１の幅を有する複数の第１の溝と、前記薄板状の超伝導体の他方の面において前記第１の溝に対応してその幅より小さい幅を有し第１の溝の幅方向中心に関して偏倚した状態で形成された複数の第２の溝とからなることを特徴とする請求項９に記載の超伝導整流素子。
【請求項１２】
前記凹部が超伝導体の一方の面に二次元的に分布して形成され、各々電流の流れる方向に関して非対称形の断面形状を有する複数の穴からなることを特徴とする請求項９に記載の超伝導整流素子。
【請求項１３】
薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の列をなす細孔を穿設して配列し、該細孔の各列における細孔の数が電流の流れる方向に垂直な方向に列毎に漸次変化し、各列における細孔の数の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細孔を配列することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくしたことを特徴とする超伝導整流素子。
【請求項１４】
薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の細溝を形成して配列し、該複数の細溝における隣接細溝の間隔が漸次変化し、該間隔の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細溝を配設することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくしたことを特徴とする超伝導整流素子。
【請求項１５】
前記薄板状の超伝導体において、作製時に導入される不均質部分を少なくする方法で作製された超伝導体であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の超伝導体整流素子。
【請求項１６】
前記薄板状の超伝導体が電子ビーム蒸着法により形成された第２種超伝体としてのＮｂ膜からなることを特徴とする請求項９〜１５のいずれかに記載の超伝導整流素子。
【請求項１７】
前記凹部、細孔または細溝を常伝導金属で埋めたことを特徴とする請求項９〜１６のいずれかに記載の超伝導整流素子。
【請求項１８】
前記凹部、細孔または細溝を形成した超伝導体よりも臨界温度及び臨界磁場が小さい他の超伝導体で前記凹部を埋めたことを特徴とする請求項９〜１６のいずれかに記載の超伝導整流素子。
【請求項１９】
前記凹部、細孔または細溝がフォトリソグラフィー法、Ｘ線リソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、イオンビームリソグラフィー法を含むマイクロリソグラフィー法あるいはナノプリンティング法を用いた微細加工技術により階段形状で近似して形成されたものであることを特徴とする請求項９〜１８のいずれかに記載の超伝導整流素子。
【請求項２０】
請求項９〜１９のいずれかに記載の超伝導整流素子を備えたことを特徴とする整流回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導導体、超伝導特性を利用した素子に関し、より詳細には、超伝導特性を利用して一方向に抵抗ゼロで大電流を流せる超伝導導体、超伝導整流素子及びこれを用いた回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
整流回路は変圧コイル、ダイオード、コンデンサ等の素子により、交流を直流に変換するように構成されており、コイルやダイオードにおいて抵抗による電力の損失が生じる。また、限流装置は超伝導導体やダイオード等により、電力系統に過電流が流れることを抑制するために構成されており、ダイオードにおいて電力の損失が生じる。これらの電力損失を小さくするために、超伝導コイルを用いることが従来考えられていた。このような超伝導コイルを用いた例として、例えば特開２０００−３５０３５７号（特許文献１）、特開２０００−９０７８８号（特許文献２）がある。
【０００３】
また、超伝導整流素子として、特開平５−３７０３０号（特許文献３）に示されるものがあるが、これは演算回路とその集積化に使用する素子であり、大きな電流を流すことはできないものであった。
【特許文献１】特開２０００−３５０３５７号公報
【特許文献２】特開２０００−９０７８８号公報
【特許文献３】特開平５−３７０３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の従来の整流回路や限流装置のような超伝導コイルを用いた回路においては、ダイオードに関して依然電力の損失が避けられない。このためダイオードのような整流素子についても、抵抗を小さく、電力の損失を少なくし、さらに大きな電流でも適用できるようにするという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、このような課題に対する解決策を与えるものであり、薄板状の超伝導体の一方または両方の面に、電流の流れる方向に平行に複数の溝または穴からなる凹部を、その各々の断面形状が電流の流れる方向に関して非対称形となるように形成し、その非対称形状により薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくしたものである。
【０００６】
また、本発明は、薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の列をなす細孔を穿設して配列し、該細孔の各列における細孔の数が電流の流れる方向に垂直な方向に列毎に漸次変化し、各列における細孔の数の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細孔を配列することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくするようにしたものでもよい。
【０００７】
さらに、本発明は、薄板状の超伝導体に、電流の流れる方向に平行な複数の細溝を形成して配列し、該複数の細溝における隣接細溝の間隔が漸次変化し、該間隔の変化が電流の流れる方向に垂直な方向に周期的に反復するように細溝を配設することにより、薄板状の超伝導体に垂直な方向の量子化磁束に作用するローレンツ力で量子化磁束が電流に垂直の方向に移動するのに抗するように生ずるピンニング力が電流の順逆に対して非対称になり、それによって順方向における臨界電流を大きく、逆方向における臨界電流を小さくしたものでもよい。
（作用）
本発明は、前述した手段により、ピンニングセンターのピンニング力に異方性を持たせることで、損失を伴う半導体ダイオードを用いず低損失の超伝導体を用いて、一方向にのみ無損失で大電流を流すことができるという作用を与えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、ピンニングセンターに異方性を持たせることで、損失を伴う半導体ダイオードを用いず低損失の超伝導体を用いて、一方向にのみ無損失で大電流を流すことができる整流素子とすることができる。このような超伝導体を用いた整流素子は、従来の半導体ダイオードが用いられていた整流回路、スイッチング回路等に適用可能ものであり、半導体素子に付随した損失を格段に低減でき、大きな電流に対しても適用できるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず超伝導整流素子の前提となる基本的原理について説明する。
【００１０】
超伝導体は一般的に図１に示される臨界温度Ｔｃ、上部臨界磁場Ｂｃ２の範囲内で臨界電流密度Ｊｃまで超伝導特性を示す。この超伝導特性は酸化物超伝導体や金属系超伝導体など超伝導材料によって異なり、この範囲内において超伝導特性を示すものであって、超伝導体に無損失電流を流すために、臨界温度Ｔｃや上部臨界磁場Ｂｃ２が高い超伝導材料を選び、臨界電流密度を改善、向上させることが必要である。
【００１１】
図２に示されるように、外部磁界の向きに垂直に、不純物や格子欠陥等を含まない純粋な第２種超伝導体が置かれ、この超伝導体内に電流を流した場合、電流の作る自己磁場、他の電流が流れている導体やコイルの作る磁場が超伝導体内に侵入し量子化されている。この量子化磁束には磁束密度と電流密度との積で表される電磁力が生じ、ローレンツ力と呼ばれる。このローレンツ力により量子化磁束線が動くフロー状態となり、量子化磁束線の移動に伴って起電力が生じ、結果として超伝導体が有限の電気抵抗を示し、電流が無損失で流れる状態ではなくなる。
【００１２】
実際には、超伝導体内に、熱処理や塑性加工により微細な析出物、結晶粒界、空隙、超伝導体と常伝導体の境界面等のミクロな不均質部分がある。これらのミクロな不均質部分によって量子化磁束が捕捉され、移動が妨げられるという作用が生じ、これはピンニングと呼ばれ、ピンニングを生ずる析出物、結晶粒界、空隙、超伝導体と常伝導体の境界面等の不均質部分はピンニングセンターと呼ばれる。不均質部分を含む第２種超伝導体においては、このようなピンニングの作用があることにより、磁場中において、ある臨界電流密度の範囲内で無損失電流が流れる。
【００１３】
このような超伝導体のピンニングセンターは量子化磁束の直径程度から量子化磁束の間隔程度の大きさの析出物、結晶粒界、空隙、超伝導体と常伝導体の境界面等の不均質部分であるが、熱処理や塑性加工などの冶金的な手段のみならず、超伝導体に量子化磁束の大きさや量子化磁束の間隔程度のミクロな構造を微細加工により作り込むことによってピンニングセンターを形成することも考えられている。
【００１４】
ここで量子化磁束の直径は、コヒーレント長さξの２倍となり、ξは
【００１５】
【数１】
2006179872.tif 000003
で表され、量子化磁束の間隔ｆｐは
【００１６】
【数２】
2006179872.tif 000004
である。ただし、
φ０：磁束量子（２．０７×１０−１５（Ｗｂ））
Ｂｃ２：上部臨界磁場
Ｂ  ：磁束密度
例えば、ξは材料によって異なり、液体ヘリウム温度４．２Ｋにおいて上部臨界磁場が０．４ＴのＮｂにおいては、ξは０．０３μｍ、上部臨界磁場が１１ＴのＮｂＴｉにおいては、０．００５５μｍである。また、磁束線格子間隔は、１ｍＴにおいて１．５μｍ、１Ｔにおいて０．０５μｍである。
図３はこのようなピンニングセンターとしての溝状人工ピンを示したものであり、この図で厚さｔ０の板状の超伝導体１の上面において電流が流れる方向に幅ｗ、深さｄｐの溝２が複数本、ピッチｐとなるように形成されている。超伝導体１を水平に配置し、これに垂直に外部磁界Ｂが作用している状態で、超伝導体１の長さ方向に電流Ｉを流すと、量子化磁束には前述したローレンツ力が作用する。ただし、超伝導体１の配置は水平方向に限定するものではない。
【００１７】
図４（ａ）は、図３の溝状人工ピンを拡大して示したものであり、ある量子化磁束３が図で溝２内で右側の凸部に近接した位置にある。この状態から、量子化磁束が凸部内に入るまで右方に移動すると、量子化磁束は超伝導体と相互作用体積Ｖの部分だけ超伝導状態を破壊して超伝導体内に存在することから、量子化磁束の移動に対して凝縮エネルギーＵにその差ΔＵが生じる。この凝縮エネルギーの差ΔＵは、相互作用体積Ｖ、磁束密度により定まり、
【００１８】
【数３】
2006179872.tif 000005
である。ただし、
μ０：  真空の透磁率
Ｂｃ：  熱力学的臨界磁場
ψ：  秩序パラメータ
Ｖ：  相互作用体
溝の壁が垂直な場合に、ΔＵだけの変化が量子化磁束の直径２ξ程度の移動によって生ずることになる。またこのΔＵの変化は、溝の左側部分に関しても対称的に生ずるはずであるから、結局凝縮エネルギーＵは溝の形状に対応して、図４（ｂ）のように変化すると考えられる。この凝縮エネルギーの変化ΔＵにより量子化磁束の移動に対する要素的ピンニング力が与えられる。要素的ピンニング力ｆｐは、凝縮エネルギーのポテンシャル勾配として、近似的に、
【００１９】
【数４】
2006179872.tif 000006
ここで、
ξ：  コヒーレント長さ
Ｂｃ２：  上部臨界磁場
Ｂ：  印加磁場
であり、また、Ｖ＝πξ２ｄｐである。
【００２０】
図４（ａ）のような左右対称的な溝形状のピンニングセンターでは、ピンニング力は対称的になり、電流が正逆いずれの向きでも、ピンニング力の大きさは同じになる。実際に図４（ａ）に示す対称形の超伝導素子を作製して、人工ピンの導入により素子の臨界電流密度が向上するデータが得られた。また、この実験データは順方向、逆方向ともに同じ臨界電流密度を示している。これらの結果は、溝状の人工ピンが有効に作用し、図４（ｂ）に示す凝縮エネルギーの変化に伴って量子化された磁束線がピン止めされ、超伝導体のピン止めの理論から導かれる数１、数２の妥当性を示している。
したがって、図５（ａ）に示す非対称の構造の人工ピンを作製すると、図５（ｂ）に示されるような非対称形の凝縮エネルギーの変化をもたらし、順方向と逆方向とで臨界電流密度が異なる超伝導整流素子を得ることができる。
【００２１】
このような非対称な溝形状を有するピンニングセンターの断面形状は図５（ａ）に示されるように、一方の壁はほぼ垂直であるが、他方の壁は緩い斜面になっている。この場合、凝縮エネルギーの変化ΔＵが生ずる範囲が垂直な壁の場合の２ξよりずっと大きくなり、緩い斜面形状に対応して凝縮エネルギーの変化ΔＵは、垂直な溝の壁の場合よりずっと緩やかになり、図５（ｂ）のようになる。
【００２２】
このため、量子化磁束に対するピンニング力も左右非対称になり、緩い斜面形状の壁に対しては、数２で表される最大のピンニング力よりも格段に弱くなり、臨界電流密度は小さくなる。電流の向きに応じてピンニングの作用方向は異なるので、このように左右非対称な溝の壁の傾斜度とすることにより、電流の方向に応じて無損失で流れる電流の大きさが異なることになる。溝の一方の壁を垂直にし、他方の壁を緩い斜面にして、電流が順方向に流れるときのピンニングの作用を大きく、電流が逆方向に流れるときのピンニングの作用を極端に小さくすることにより、図６に示されるような電流−電圧特性となる。すなわち、このピンニングセンターと量子化磁束との相互作用により整流作用が生じることになる。
【００２３】
本発明は、このように非対称な人工ピンを形成し、それを超伝導体による整流素子として用いるものであり、これは図５（ａ）のような非対称の断面形状の溝を有する人工ピンによってなされる。以下、このような非対称の断面形状の人工ピンを形成について説明する。
【００２４】
図５（ａ）に示されるような断面形状で、整流作用を有する超伝導体による人工ピンを形成する場合、溝形状により小さくなる方のピンニング力をできるだけ小さくするために、超伝導体を作製する際に導入される不均質部分によるピンニングの作用をなるべく少なくする必要があり、このため、電子ビーム蒸着法により欠陥が少ない超伝導Ｎｂ膜を形成し、これに溝を加工形成して人工ピンとする。超伝導Ｎｂ膜の厚さは０．２μｍ〜数μｍが適当である。
【００２５】
このＮｂ膜の上面に緩い斜面を含む溝を加工形成する。このような微細な加工の場合、現実的には図５（ａ）のような斜面をエッチングにより形成するのは難しいので、図５（ａ）の場合と同様の作用を与えるものとして、近似的に図７に示すようにな階段状の断面とし、複数回のエッチングによりこれを形成する。
【００２６】
溝のピッチｐは量子化磁束の直径２ξの１０倍程度の大きさとし、溝の幅については、逆方向の電流を小さくするためにピッチに近い値にする。溝の深さは膜の厚さの範囲で種々設定可能であるが、膜の厚さの７０％程度で臨界電流の最大値を示す。
【００２７】
このような溝の形成に用いられる微細加工技術として、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、Ｘ線リソグラフィー法、イオンビームリソグラフィー法などのマイクロリソグラフィー技術、あるいは最新のナノプリンティング技術を含む手法のいずれかを適用することができる。また、超伝導材料料としてＮｂを例示したが、Ｎｂ以外の金属系超伝導体のほか、臨界温度が高い超伝導体も用いることができる。
【００２８】
凝縮エネルギーＵの形状に影響するパラメータとしては、溝のピッチ、深さ、斜面の傾斜角度がある。また、必ずしも複数の連続した溝でなくても、非対称形の凝縮エネルギーのポテンシャルを形成することは可能である。複数の溝を形成した場合の平面図は図８（ａ）に示すようになっているが、これを例えば図８（ｂ）に示すように、多数の非対称形の穴が二次元的に分布して形成されるようにしてもよい。図８（ｃ）は穴のある部分で電流の流れる方向に垂直にとった断面を示す図である。
【００２９】
さらに、階段近似した溝または穴の代りに、図９に示すように、上面側に幅ｗ１の溝を形成し、上面側の溝の中心から一方に偏倚した下面側の位置に幅ｗ２（ｗ２＜ｗ１）の溝を形成することによっても、上面側に図５（ｂ）の場合と概略同様な非対称な凝縮エネルギーＵの分布形状が生ずることになる。
【００３０】
超伝導体の面に溝や穴を形成する代わりに、超伝導体の面に垂直な方向に多数の細孔を配列することによっても、同様の非対称な人工ピンの作用が得られる。図１０（ａ）は細孔を配列して形成した場合の例であり、図１０（ｂ）は対応する溝を形成した場合のものであって、それぞれ斜視図示してある。図１０（ａ）において、細孔は薄板状の超伝導体の面に実質的に垂直の方向に穿設され、図１０（ｂ）の場合の溝の方向に列状に配列される。細孔の列は図１０（ｂ）の溝の配列のピッチ（ｐ）において少なくとも数列になるようにし、各列における細孔の数を漸次変化させる。溝の場合に対応させて言えば、溝の深い側は、細孔の数が多くなり、浅い側は細孔の数が少ない。すなわち、人工ピンの作用を生ぜしめるのが、溝ないし穴の深さの代わりに、細孔の配置の密度としたものである。
【００３１】
それぞれの細孔の形状は円形で示してあり、特に円形に限られることはないが、細孔の断面の大きさは同等のものとする。細孔の深さは超伝導体を貫通しても、貫通せずにそれぞれ同程度の深さになるようにしてもよい。そして、図１０（ｂ）に示されるような左側から右側に向かって深さが漸増する溝がピッチｐで設けられて形成されるのと同様の人工ピンの作用を得るために、図１０（ａ）に示されるように、ピッチｐの範囲内で数列の細孔が配列され、各列にはそれぞれ細孔がほぼ等間隔に設けられ、各列における細孔の数は左側の列から右側の列に向かって漸増するようになっている。このような細孔の列が各ピッチｐ毎に反復して形成される。
【００３２】
細孔の配列により深さが漸次変化する溝や孔の場合と同様な人工ピンの作用を得るために、細孔の径は溝や穴の寸法に比して数分の１以下に小さいものとする必要がある。量子化磁束の直径はコヒーレント長さξの２倍程度であり、溝や穴の場合、その幅の寸法は量子化磁束の直径またはその間隔と同程度かの大きさであるが、細孔を配列した人工ピンの場合は、細孔の分布密度の変化に応じて量子化磁束にローレンツ力が作用するようにするのであるため、量子化磁束の直径の範囲内に数列以上の細径が含まれる寸法関係でなければならない。
【００３３】
この状況を説明すると、図１１のようになる。図１１において、図１０（ａ）に示す超伝導体を上方から見た場合の多数の細孔を配列状態と量子化磁束との関係を示している。図１１において、量子化磁束の直径の範囲内に数列の細孔が含まれている。細孔の各列における細孔の数が多い側が溝の場合では深い側に対応し、細孔の数が少ない側が溝の場合では浅い側に対応する。このように各列の細孔の数が漸次変化するように細孔を配列した場合に、細孔の密度の分布と量子化磁束との相互作用体積の変化が、深さの変化する溝の場合同様に非対称に変化し、細孔の密度の低い側から高い側に向かうローレンツ力が量子化磁束に作用することになり、非対称な人工ピンの作用が得られる。
【００３４】
人工ピンの作用を得る構成のさらに他の例を図１２（ａ）に斜視図で、図１２（ｂ）に断面図で示す。図１２（ａ）において、超伝導体の面に、電流が流れる方向に複数の細溝が形成される。各溝の幅は実質的に同等のものであり、図１０（ａ）の場合の細孔の列と同様に、ピッチｐの幅内に複数本が平行になるように、また、隣接する溝の間隔が粗から密へと漸次増大するように形成され、このような間隔が漸次増大する平行な細溝の組がピッチｐを周期として、反復して形成される。このような複数の間隔が漸次変化する細溝によっても、細溝の密度が低い側から高い側に向かうローレンツ力が作用して、非対称な人工ピンの作用が得られる。
【００３５】
このように超伝導体の面に多数の細孔の列、あるいは複数の細溝を形成するのに用いられる微細加工技術として、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、Ｘ線リソグラフィー法、イオンビームリソグラフィー法などのマイクロリソグラフィー技術、あるいは最新のナノプリンティング技術を含む手法のいずれかを適用することができる。
【００３６】
また、前述の溝や穴の凹状部分、細孔あるいは細溝を形成すると、この部分は超伝導材料がない部分となるが、この超伝導材料がない凹状の部分、細孔あるいは細溝に常伝導体、または凹状の部分、細孔あるいは細溝を形成した超伝導体よりも臨界温度や臨界磁場が小さい超伝導体で埋めて、表面が平坦になるようにしても、同様に凝縮エネルギーの変化により非対称のポテンシャルが得られるので、超伝導整流素子として用いられ、全体的な形状として凹部、細孔あるいは細溝がなくなることにより機械的強度は強くなると考えられる。
【００３７】
以上のような人工ピンを導入した超伝導体は、一方向にのみ臨界電流密度の範囲で無損失電流が流れる整流素子として用いることができ、従来のダイオード素子を用いた整流回路やスイッチング回路に適用することが可能となる。
【００３８】
図１３（ａ）は、本発明による超伝導整流素子Ｄを備えた半波整流回路の例を示すものであり、例えば端子ａ−ｂ間に交流電流源を接続して正弦波状の交流電流を通電しようとした場合に、順方向の電流のみを導通して、端子ｃ−ｄ間に図１３（ｂ）に示されるような半波整流された電流が流れ、整流素子Ｄに流れる電流ＩがＩ＜Ｉｃ（Ｉｃは臨界電流）のときに、整流素子Ｄの電圧ｖＤ＝０の状態でｃ−ｄ間の負荷に電流を流すことができる。
【００３９】
図１４（ａ）は、本発明による整流素子Ｄを備えた全波整流回路の例を示すものであり、端子ａ−ｂ間に交流電流源を接続して正弦波状の交流電流を通電しようとした場合に、端子ｃ−ｄ間に図１４（ｂ）に示されるような同じ方向の電流が流れる。さらに、図１４（ａ）に点線で示すコンデンサをいれると、図１４（ｂ）の点線のように直流電流を供給でき、整流素子での損失はない。ただし、Ｉは整流素子の順方向の臨界電流より小さい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】超伝導体として動作する臨界的条件を示す図である。
【図２】量子化磁束に作用するローレンツ力を示す図である。
【図３】溝状人工ピンの基本的形態を示す図である。
【図４】（ａ）図３の溝状人工ピンを拡大して示した図である。
【００４１】
（ｂ）人工ピンの溝の形状に対応する凝縮エネルギーのポテンシャル分布を示す図である。
【図５】（ａ）本発明の超伝導整流素子の例としての、非対称な溝形状とした人工ピンを示す図である。
【００４２】
（ｂ）非対称な溝形状により生ずる凝縮エネルギーのポテンシャル分布を示す図である。
【図６】非対称な溝形状の人工ピンの電流−電圧特性を示す図である。
【図７】人工ピンの非対称な溝形状の斜面を階段で近似したものを示す断面図である。
【図８】（ａ）複数の溝〜形成した人工ピンの平面図である。
【００４３】
（ｂ）二次元的に分布する穴を形成した人工ピンの平面図である。
【００４４】
（ｃ）穴の部分で電流の流れる方向に垂直な断面を示す図である。
【図９】超伝導体の両側の面に溝を形成した人工ピンの他の例を示す断面図である。
【図１０】（ａ）超伝導体の面に多数の細孔を配列して形成した人工ピンの例を示す斜視図である。
【００４５】
（ｂ）（ａ）の場合に対比して、超伝導体の面に溝を形成した人工ピンを示す斜視図である。
【図１１】図１０（ａ）に示す超伝導体を上方から見た場合の多数の細孔を配列状態と量子化磁束との関係を示す図である。
【図１２】（ａ）超伝導体の面に複数の細溝を配列して形成した人工ピンの例を示す斜視図である。
【００４６】
（ｂ）超伝導体の面に複数の細溝を配列して形成した人工ピンの例を示す断面図である。
【図１３】（ａ）本発明の超伝導整流素子を備えた半波整流回路の例を示す図である。
【００４７】
（ｂ）（ａ）の半波整流回路の出力電流を示す図である。
【図１４】（ａ）本発明の超伝導整流素子を備えた全波整流回路の例を示す図である。
【００４８】
（ｂ）（ａ）の全波整流回路の出力電流を示す図である。
【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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