(57)【要約】【課題】  簡易な構成により高感度で磁束の絶対値を測定することができる磁束計を提供する。【解決手段】  磁束計１は、超伝導ループ９内に２つのジョセフソン接合部１０を有する複数のＳＱＵＩＤ８を備えている。複数のＳＱＵＩＤ８は、互いに電気的に並列となるように接続されている。複数のＳＱＵＩＤ８のうち、少なくとも一のＳＱＵＩＤ８のジョセフソン接合部１０間における超伝導ループ９の電流経路の長さは、他のいずれかのＳＱＵＩＤ８のジョセフソン接合部１０間における超伝導ループ９の電流経路の長さと異なっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導ループ内に２つの接合部を有する複数のＳＱＵＩＤを備えた磁束計であって、
前記複数のＳＱＵＩＤは、互いに電気的に並列となるように接続され、
前記複数のＳＱＵＩＤのうち、少なくとも一のＳＱＵＩＤの前記接合部間における前記超伝導ループの電流経路の長さは、他のいずれかのＳＱＵＩＤの前記接合部間における前記超伝導ループの電流経路の長さと異なっている、磁束計。
【請求項２】
前記複数のＳＱＵＩＤは、それぞれの前記超伝導ループの電流経路の長さが、互いに異なっている、請求項１に記載の磁束計。
【請求項３】
前記複数のＳＱＵＩＤは、低温超伝導ＳＮＳ型である、請求項１又は２に記載の磁束計。
【請求項４】
前記複数のＳＱＵＩＤは、冷媒を収容する断熱容器の内部に配置され、
前記複数のＳＱＵＩＤによる出力値は、前記断熱容器の外部に設けられた計測部に入力される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁束計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁束計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁場の絶対値を測定する磁束計として、例えば１００ｐＴ程度の分解能を有するものが実用化されている。しかし、このような磁束計では、測定対象によっては分解能が不十分であることがあった。そこで、より高感度で磁場を測定できるものとして、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）を用いた磁束計が提案されている。この種の技術として、例えば特許文献１には、直列に接続された複数のＳＱＵＩＤにおける外部磁界に対する出力電圧特性から、磁束の絶対値を測定することが図られた磁束計が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−６８８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような複数のＳＱＵＩＤが直列に接続された磁束計においては、磁場の相対値の測定は可能であるものの、出力電力特性の波形における周期性が残っているため、正確に磁場の絶対値を測定するにはかなり多くのＳＱＵＩＤを直列に接続する必要がある。
【０００５】
本発明は、簡易な構成により高分解能で磁場の絶対値を測定することができる磁束計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】
【０００６】
本発明による磁束計は、超伝導ループ内に２つの接合部を有する複数のＳＱＵＩＤを備えた磁束計であって、複数のＳＱＵＩＤは、互いに電気的に並列となるように接続され、複数のＳＱＵＩＤのうち、少なくとも一のＳＱＵＩＤの接合部間における超伝導ループの電流経路の長さは、他のいずれかのＳＱＵＩＤの接合部間における超伝導ループの電流経路の長さと異なっている。
【０００７】
この磁束計では、ＳＱＵＩＤを利用して磁場を測定するため、高分解能での測定が可能となっている。また、複数のＳＱＵＩＤが電気的に並列に接続されているため、各ＳＱＵＩＤによって得られる出力電圧特性を重ね合わせた値が出力値となる。このとき、各ＳＱＵＩＤにおいては、接合部間における超伝導ループの電流経路の長さが異なっていることから、出力電力特性の波形における周期は異なるが、磁場の強度が０点の位置で互いの位相が一致する。そのため、出力値では、磁場の強度が０点の位置がピークとして現れることになり、これにより、磁場の強度の０点を特定することができる。よって、簡易な構成により高分解能で磁場の絶対値を得ることが可能となる。
【０００８】
また、複数のＳＱＵＩＤは、それぞれの超伝導ループの電流経路の長さが、互いに異なっていてもよい。これによれば、高分解能で磁場の絶対値を測定することをより少ない数のＳＱＵＩＤにより実現できる。
【０００９】
また、複数のＳＱＵＩＤは、低温超伝導ＳＮＳ型としてもよい。低温超伝導ＳＮＳ型のＳＱＵＩＤは、磁束トラップが発生しにくい性質を有するため、外部の磁場からの影響を受け難くすることができる。これにより、磁束計の磁場耐性を向上させることができる。
【００１０】
また、複数のＳＱＵＩＤは、冷媒を収容する断熱容器の内部に配置され、複数のＳＱＵＩＤによる出力値は、断熱容器の外部に設けられた計測部に入力されるものとしてもよい。これにより、ＳＱＵＩＤを冷媒により好適に冷却しつつ磁場の測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構成により高感度で磁束の絶対値を測定することができる磁束計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る磁束計の構成を示す模式図である。
【図２】図１の磁束計におけるＳＱＵＩＤの構成を示す模式図である。
【図３】（ａ）各ＳＱＵＩＤにおける出力値のそれぞれを示す図である。（ｂ）図１の磁束計による出力値を示す図である。
【図４】低温超伝導ＳＮＳ型ＳＱＵＩＤを構成するジョセフソン接合部を示す斜視図である。
【図５】図５に示すジョセフソン接合部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。便宜上、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。各図は模式的に示されたものであり、必ずしも実際の寸法比率を忠実に反映しているものではない。
【００１４】
図１に示される磁束計１は、例えば天文台、宇宙開発現場といった磁気の絶対値を測定する必要のある現場で使用される。磁束計１は、内部にセンサ部７が収容された断熱容器５と、断熱容器５の外部に設けられ、センサ部７と電気的に接続された計測部３と、を備えている。断熱容器５は、例えばデュワー容器であり、外壁５ａと内壁５ｂとの間に、真空層等からなる図示しない断熱構造を備えている。また、断熱容器５は、例えばグラスファイバによって形成されており、磁気を遮蔽しないため、内部のセンサ部７によって外部の磁場を測定することがきる。断熱容器５の上部には、液体ヘリウム等の冷媒を注ぎ入れるための注入口５ｃが設けられている。
【００１５】
計測部３は、センサ部７の動作制御を行うとともに、センサ部７からの出力値を処理するためのものである。計測部３は、センサ部７の動作に必要な所定の直流バイアス電流を供給するためのバイアス電源や、センサ部７からの出力値を増幅するための増幅器（アンプ）等を備えている。
【００１６】
センサ部７は、断熱容器５の内部に配置されており、断熱容器５内に収容された冷媒によって冷却される。本実施形態では、一次冷却用の液体窒素によって所定温度まで冷却された後、液体ヘリウムによって約５Ｋまで冷却される。
【００１７】
図２に示されるように、センサ部７は、複数のＳＱＵＩＤ８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，・・・（以下、場合により「ＳＱＵＩＤ８」と総称する）を備えている。各ＳＱＵＩＤ８は、平面状の超伝導ループ（リング）９内にそれぞれ２つのジョセフソン接合部１０を有しており、互いに電気的に並列となるように接続されている。隣り合うＳＱＵＩＤ８では、その間に位置している超伝導ループ９の一部とジョセフソン接合部１０とが共有されている。例えば、ＳＱＵＩＤ８Ａは超伝導ループ９Ａ内にジョセフソン接合部１０Ａ，１０Ｂを有し、ＳＱＵＩＤ８Ｂは超伝導ループ９Ｂ内にジョセフソン接合部１０Ｂ，１０Ｃを有しており、ジョセフソン接合部１０Ｂとこれに繋がる超伝導ループ９Ａ及び９Ｂの一部が、ＳＱＵＩＤ８Ａ及びＳＱＵＩＤ８Ｂで共有されている。
【００１８】
また、少なくとも一のＳＱＵＩＤ８のジョセフソン接合部１０間における超伝導ループ９の電流経路の長さは、他のいずれかのＳＱＵＩＤ８のジョセフソン接合部１０間における超伝導ループ９の電流経路の長さと異なるように構成されている。超伝導ループ９の電流経路の長さとは、実際に電流が流れ得る部分の長さである。よって、一のＳＱＵＩＤ８におけるジョセフソン接合部１０間における電流経路の長さとは、一方のジョセフソン接合部１０と他方のジョセフソン接合部１０との間に連続して存在する超伝導ループ９に沿う長さということになる。
【００１９】
例えば、ＳＱＵＩＤ８Ａのジョセフソン接合部１０Ａからジョセフソン接合部１０Ｂまでの電流経路の長さと、ＳＱＵＩＤ８Ｂのジョセフソン接合部１０Ｂから１０Ｃまでの電流経路の長さとは互いに異なるように構成されている。なお、本実施形態では、各ＳＱＵＩＤ８におけるジョセフソン接合部１０間の電流経路の長さが、ＳＱＵＩＤ８Ａ＜ＳＱＵＩＤ８Ｂ＜ＳＱＵＩＤ８Ｃ＜・・・となっており、徐々に長くなるように設計されている。
【００２０】
このようなセンサ部７は、測定したい磁束の向きに応じて、断熱容器５内に設置される。例えば、垂直方向の磁束を特に測定したい場合には、超伝導ループ９が形成された平面を水平にしてセンサ部７が設置される。あるいは、水平方向の磁束を特に測定したい場合には、超伝導ループ９が形成された平面を垂直にしてセンサ部７が設置される。なお、測定したい磁束の向きを限定しない場合には、これらを複合的に組み合わせて設置することもできる。
【００２１】
このように構成されたセンサ部７におけるＳＱＵＩＤ８の動作について、さらに図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、各ＳＱＵＩＤ８における出力値を示し、図３（ｂ）は、センサ部７における出力値を示す。図３（ａ）、（ｂ）の縦軸は出力電圧の相対値を示し、横軸は外部磁束を示す。なお、図３（ａ）では、説明の簡単のため、２つの出力値のみを実線と一点鎖線とで図示しているが、実際には、それぞれのＳＱＵＩＤ８に対応する数の波形がある。
【００２２】
所定の直流バイアス電流が流された状態のＳＱＵＩＤ８に磁界が加わると、ジョセフソン接合部１０において電圧が発生する。この電圧は、超伝導ループ９内における２つのジョセフソン接合部１０による干渉の影響で、所定の周期をもった波形（出力電力特性）として観測される。そのため、ＳＱＵＩＤ８が一つのみである場合には、その周期性ゆえに、磁場の強度が０点である位置を特定することができない。
【００２３】
一方、複数のＳＱＵＩＤ８を電気的に並列に接続した場合も、同じように各ＳＱＵＩＤ８においては周期的な波形が出力される。ここで、ＳＱＵＩＤ８によって出力される波形の周期は、ジョセフソン接合部１０間における超伝導ループ９の電流経路の長さに応じたものとなっている。各ＳＱＵＩＤ８においては、ジョセフソン接合部１０間における超伝導ループ９の電流経路の長さが互いに異なっているため、図３（ａ）に示されるように、波形の周期が互いに異なることになる。
【００２４】
ここで、各ＳＱＵＩＤ８は並列に接続されているため、実際に得られる出力値は、これら各ＳＱＵＩＤ８の波形を重ね合わせたものとなる。これらの各ＳＱＵＩＤ８の波形では、図３（ａ）に示されるように、基準となる磁場の強度が０点の位置において、互いの位相が一致している。そのため、図３（ｂ）に示されるように、センサ部７の出力値では、この磁場の強度が０点の位置がピークとして現れることになる。これにより、磁場の強度の０点を特定することができるため、磁場の絶対値を得ることが可能となる。
【００２５】
本実施形態では、各ＳＱＵＩＤ８として、低温超伝導ＳＮＳ型ＳＱＵＩＤが利用されている。図４は低温超伝導ＳＮＳ型ＳＱＵＩＤの超伝導ループにおけるジョセフソン接合部１０を示す斜視図、図５は図４に示すジョセフソン接合部１０の縦断面図である。
【００２６】
図４及び図５に示されるように、ジョセフソン接合部１０は、矩形膜状の第１の超伝導膜１２と、第１の超伝導膜１２に対しその長手方向を直交して跨ぐように重ね合わされた矩形膜状の第２の超伝導膜１３と、を備えている。第１の超伝導膜１２と第２の超伝導膜１３とが重なる部分には、これら２つの超伝導膜１２，１３を互いに電気的に絶縁するための絶縁膜１４が設けられている。第２の超伝導膜１３は、第１の超伝導膜１２を跨ぐことから、第１の超伝導膜１２の形状に沿って曲げられている。このため、ジョセフソン接合部１０の縦断面は、凸型をなしている（図５参照）。
【００２７】
第１の超伝導膜１２及び第２の超伝導膜１３は、９Ｋよりも低い温度で超伝導現象を起こす低温超伝導物質により構成されている。低温超伝導物質としては、例えば、Ｎｂが挙げられる。第１の超伝導膜１２及び第２の超伝導膜１３の寸法は、幅が４０００ｎｍ程度であり、厚さが１００ｎｍ〜２５０ｎｍの薄膜である。絶縁膜１４は絶縁性を有する物質により構成され、例えばＮｂ２Ｏ５等のＮｂの酸化物が挙げられる。絶縁膜１４の厚さは、１０ｎｍ程度である。
【００２８】
ジョセフソン接合部１０は、第１の超伝導膜１２、絶縁膜１４及び第２の超伝導膜１３の順で積層されている。最上位に積層された第２の超伝導膜１３には断面円形の有底穴１５が設けられている。この有底穴１５は、第２の超伝導膜１３の面のうち絶縁膜１４が設けられている側とは反対側の表面（以下、単に「上面」という）１３ａから第１の超伝導膜１２側へ向かって延びており、絶縁膜１４に達する手前において第２の超伝導膜１３の内部に底部１５ａを形成している。ここで、有底穴１５の径は２０〜２００ｎｍであり、有底穴１５のアスペクト比（穴の径に対する穴の深さの比）は６以下とされている。
【００２９】
絶縁膜１４は、上記有底穴１５の底部１５ａから更に所定の深さに位置する部分（有底穴１５の底部１５ａに対向する部分）に、イオンビームの照射によるイオン注入により形成された弱接合部１４ａを有している。この弱接合部１４ａは、第１の超伝導膜１２及び第２の超伝導膜１３の間を導電化し、電子対が通過できるようにしたものである。つまり、２つの超伝導膜１２，１３の間における弱接合部１４ａにおいて、超伝導電子対のトンネル効果が発揮される。注入されているイオンとしては、Ｎｂ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐ、Ｎ等のイオンが挙げられる。
【００３０】
ここで、低温とは、液体窒素で冷却できる温度（７７Ｋ）未満をいう。ＳＮＳ型とは、二つの超伝導（Ｓ）の電極に挟まれた接合層が導電性（Ｎ）を有する接合種類である。すなわち、本実施形態に係る低温超伝導ＳＮＳ型ＳＱＵＩＤとは、低温超伝導体によって形成される超伝導ループ内にＳＮＳ型のジョセフソン接合部が形成されているものである。
【００３１】
ＳＮＳ型の接合の場合、接合部分が導電性を有しているため、当該接合部分の電気抵抗率ρの値は非常に小さい。しかし、数式（１）に示すように、電気抵抗Ｒが小さすぎると電圧の測定ができなくなり実用性に乏しい。
Ｒ＝ρ・（Ｌ／Ｓ）…（１）
ただし、Ｒ：電気抵抗［Ω］、ρ：電気抵抗率［Ω・ｍ］、Ｌ：物体の長さ［ｍ］、Ｓ：物体の断面積［ｍ２］
【００３２】
そこで、低温超伝導ＳＮＳ型ＳＱＵＩＤとしてのジョセフソン接合部１０にあっては、前述のようにイオン注入によって接合部分を形成することにより、当該接合部分の断面積Ｓを小さくしている。すなわち、接合部分の断面積Ｓを小さくすることで、一定の電気抵抗Ｒを持たせている（数式（１）参照）。これにより、実用可能な低温超伝導ＳＮＳ型ＳＱＵＩＤを実現している。
【００３３】
以上、本実施形態の磁束計１によれば、ＳＱＵＩＤ８を利用して磁場を測定するため、例えば１０ｐＴ程度の高分解能での測定が可能となっている。また、複数のＳＱＵＩＤ８が電気的に並列に接続されているため、各ＳＱＵＩＤ８によって得られる出力電圧特性を重ね合わせた値が出力値となる。このとき、各ＳＱＵＩＤ８においては、ジョセフソン接合部１０間における超伝導ループ９の電流経路の長さが異なっていることから、出力電力特性の波形における周期は異なるが、磁場の強度が０点の位置で互いの位相が一致する。そのため、出力値では、磁場の強度が０点の位置がピークとして現れることになり、磁場の強度の０点を特定することができる。よって、簡易な構成により高分解能で磁場の絶対値を得ることが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、各ＳＱＵＩＤ８におけるジョセフソン接合部１０間の電流経路の長さが、徐々に長くなっている。すなわち、複数のＳＱＵＩＤ８は、それぞれの超伝導ループ９の電流経路の長さが、互いに異なっている。そのため、より少ない数のＳＱＵＩＤ８により、高分解能で磁場の絶対値を測定することができる。
【００３５】
また、従来のＳＱＵＩＤを利用したセンサでは、磁束トラップによって磁場の強度の０点がオフセットしてしまうと、その都度校正の必要が生じる虞がある。そのため、例えば、磁束トラップが発生しないようにＳＱＵＩＤ周辺を磁気から遮蔽するためのシールドが必要であった。これに対し、低温超伝導ＳＮＳ型のＳＱＵＩＤ８は、接合の断面が小さいことにより、磁束トラップが発生しにくい性質を有するため、磁束トラップによって磁場の強度の０点がオフセットしてしまうことを抑制することが可能となる。これにより、センサ部に設けられる磁場に対するシールドを不要にできる。
【００３６】
また、ＳＱＵＩＤ８は、低温超伝導ＳＮＳ型とされているため、ＳＩＳ型に比べて耐電圧が高く、壊れ難くなっている。よって、より大きな磁場の測定が可能であり、例えば測定の上限を３００μＴ程度とすることができる。これにより、例えば、地磁気（５０μＴ程度）等の環境磁場の影響によって接合部が壊れてしまうことが抑制される。低温超伝導ＳＮＳ型のＳＱＵＩＤ８は、ＳＩＳ型や高温超伝導ＳＮＳ型によるＳＱＵＩＤが適さない環境でも好適に利用することができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等を行ってもよい。
【００３８】
例えば、上記実施形態では、各ＳＱＵＩＤ８におけるジョセフソン接合部１０間の電流経路の長さが、徐々に長くなるように規則的に配置されている例を示したが、これに限定されない。少なくとも一部の電流経路の長さが異なっていればよく、ランダムに配置されていてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態のジョセフソン接合部１０は、図４及び図５に示すような積層構造に限られない。例えば、第１の超伝導膜１２、絶縁膜１４及び第２の超伝導膜１３がこれらの積層方向から見たときに同一形状となるように単純に積層されていてもよい。また、ジョセフソン接合部１０の有底穴１５が積層部分の中央部に設けられていなくてもよく、例えば、有底穴１５は、積層部分の中央部からずれた位置に設けられていてもよい。
【００４０】
また、ＳＱＵＩＤ８に含まれる低温超伝導物質としては、Ｎｂに限られず、７７Ｋよりも遥かに低い温度で超伝導現象を起こす限り、その他の金属又はＮｂＮ等であってもよい。
【００４１】
また、ＳＱＵＩＤ８として、低温超伝導ＳＮＳ型のＳＱＵＩＤを利用する例を示したが、これに限定されない。例えば、二つの超伝導（Ｓ）の電極に挟まれた接合層が絶縁体（Ｉ）を有する接合種類であるＳＩＳ型や、液体窒素で冷却できる高温超伝導を利用してもよい。この点、ＳＩＳ型の接合では、構造的な性質により接合の断面が大きくなるため、周囲の外部磁場の影響によって磁束トラップが発生することがある。また、高温超伝導ＳＮＳ型は、材料による超伝導膜の結晶欠陥や不均一性などにより、磁束トラップが発生することがある。一方、イオン注入によって製造された低温超伝導ＳＮＳ型のＳＱＵＩＤ８は、接合の断面を小さくでき、磁束トラップが発生し難い性質を有する。
【符号の説明】
【００４２】
１…磁束計、３…計測部、５…断熱容器、８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ…ＳＱＵＩＤ、９，９Ａ，９Ｂ…超伝導ループ、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…ジョセフソン接合部（接合部）。
【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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