(57)【要約】【課題】応答が速く、容量の大きい電流を流すことが可能であり、構造が簡単で容易に製造することができる超伝導スイッチを実現する。【解決手段】超伝導スイッチ１は、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられた超伝導体層３と、超伝導体層３上に設けられた絶縁体層７と、超伝導体層３に設けられた電極６ｂと、絶縁体層７に設けられた制御電極８と、を具備し、制御電極８にかける電圧により、超伝導体層３の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、超伝導体層３に流れる超伝導電流を制御することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられた超伝導体層と、
前記超伝導体層上に設けられた絶縁体層と、
前記超伝導体層に設けられた電極と、
前記絶縁体層に設けられた制御電極と、を具備する超伝導スイッチであって、
前記制御電極にかける電圧により、前記超伝導体層の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、前記超伝導体層に流れる超伝導電流を制御することを特徴とする超伝導スイッチ。
【請求項２】
前記超伝導体層は、バリウム−鉛−ビスマス−酸素、又は、バリウム−カリウム−ビスマス−酸素、又は、イットリウム−バリウム−銅−酸素、又は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素からなることを特徴とする請求項１記載の超伝導スイッチ。
【請求項３】
前記超伝導体層の厚さは、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導スイッチ。
【請求項４】
前記絶縁体層は、ストロンチウム−チタニウム−酸素、又はストロンチウム−バリウム−チタニウム−酸素、又は、ストロンチウム−カルシウム−チタニウム−酸素からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超伝導スイッチ。
【請求項５】
超伝導体からなる閉回路の一部を、前記請求項１から４のいずれかに記載の超伝導スイッチで構成したメモリ素子であって、前記制御電極にかける電圧により、前記超伝導体層の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、前記閉回路内に保存される磁束の制御を行うことを特徴とするメモリ素子。
【請求項６】
超伝導体からなる閉回路と、該閉回路からの電流を検出する検出部と、を具備し、前記閉回路の一部を前記請求項１から４のいずれかに記載の超伝導スイッチで構成した磁束変化センサであって、前記制御電極にかける電圧により、前記超伝導体層の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、前記閉回路内に保存される磁束の制御を行い、該磁束の出入力に伴う電流を前記検出部により検出することを特徴とする磁束変化センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超伝導体を利用したスイッチング素子に関し、特には電気的に動作する超伝導スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超伝導スイッチ（超伝導スイッチング素子）には、超伝導体（超伝導物質）を超伝導転移温度以上まで加熱することにより、超伝導状態と常伝導状態とを転移させて（切り換えて）、超伝導体に流れる電流を制御する超伝導スイッチがある。具体的には、例えば超伝導体で形成されたリード線にヒーターの役割を有する抵抗体を巻き付け、リード線を加熱する。リード線が超伝導転移温度以上まで加熱されると、超伝導体の超伝導状態が破壊されて、超伝導状態から常伝導状態に変化し、抵抗を有する状態（抵抗状態）となって、リード線には超伝導（ゼロ抵抗）電流が流れない。したがって、超伝導状態と常伝導状態とを転移させることによりリード線に流れる電流を制御するスイッチとして使用される。
【０００３】
一方、２つの超伝導体により薄い絶縁体や半導体を挟んで電気的に弱く結合させたジョセフソン素子は、その両端に電圧がなくても電流が流れる（つまり超伝導電流が流れる）ジョセフソン効果を有する。１９８０年代以降、上記のジョセフソン素子を用いて、その半導体上に第３の電極（ゲート電極）を配置し、この電極に電圧を印加することにより、ジョセフソン効果を利用した超伝導臨界電流を制御するＦＥＴ（超伝導弱接合ＦＥＴ）(なお、ここで、ＦＥＴはfield effect transistor:電界効果トランジスタ）の研究開発等も行われている。
【０００４】
ところで、従来の技術に関連する下記の特許文献１には、下部電極、下部絶縁層、超伝導体層、金属層、上部絶縁層、上部電極という積層構造を有する素子で超伝導臨界温度以下の温度において、上部下部電極間に電圧を加えることによって、金属層中のキャリアが超伝導体中に過剰に注入され、ゆえに超伝導状態が破壊され、抵抗状態となることを利用した超伝導スイッチング素子が開示されている。
【特許文献１】特許第３０００１６６号公報（第２頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、超伝導体を超伝導転移温度以上まで加熱して常伝導状態にすることにより超伝導状態と常伝導状態とを切り換える超伝導スイッチは、熱を利用しているため、電気的に作動する超伝導スイッチと比べて、応答が遅いという欠点を有する。一方、電気的に作動する超伝導スイッチの例である超伝導弱接合ＦＥＴの場合、ジョセフソン素子に流すことができる電流は、非常に小さいため、利用できる範囲に制限が生じる。さらには、構造が複雑であり、超伝導弱接合ＦＥＴを用いてメモリ素子等を作成する場合には微細加工を行う必要がある等、容易に製造を行うことが難しい。
【０００６】
本発明は、応答が速く、容量の大きい電流を流すことが可能であり、構造が簡単で容易に製造することができる超伝導スイッチを実現することを課題とするものである。さらには、この超伝導スイッチを用いてメモリ素子や、磁束変化センサ等の応用に利用することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために、絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた超伝導体層と、前記超伝導体層上に設けられた絶縁体層と、前記超伝導体層に設けられた電極と、前記絶縁体層に設けられた制御電極と、を具備する超伝導スイッチであって、前記制御電極にかける電圧により、前記超伝導体層の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、前記超伝導体層に流れる超伝導電流を制御することを特徴とする超伝導スイッチを提供する。
【０００８】
前記超伝導体層は、バリウム−鉛−ビスマス−酸素、又は、バリウム−カリウム−ビスマス−酸素、又は、イットリウム−バリウム−銅−酸素、又は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素からなることが好ましい。
【０００９】
前記超伝導体層の厚さは、１μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
前記絶縁体層は、ストロンチウム−チタニウム−酸素、又はストロンチウム−バリウム−チタニウム−酸素、又は、ストロンチウム−カルシウム−チタニウム−酸素からなることが好ましい。
【００１１】
超伝導体からなる閉回路の一部を、前記超伝導スイッチで構成したメモリ素子であって、前記制御電極にかける電圧により、前記超伝導体層の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、前記閉回路内に保存される磁束の制御を行うことが好ましい。
【００１２】
超伝導体からなる閉回路と、該閉回路からの電流を検出する検出部と、を具備し、前記閉回路の一部を前記超伝導スイッチで構成した磁束変化センサであって、前記制御電極にかける電圧により、前記超伝導体層の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、前記閉回路内に保存される磁束の制御を行い、該磁束の出入力に伴う電流を前記検出部により検出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上の構成から成る本発明に係る超伝導スイッチによると、応答が速く、容量の大きい電流を流すことが可能であり、構造が簡単で容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る超伝導スイッチの実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の超伝導スイッチ（超伝導スイッチング素子）１を含む素子の原理的な構成を示す模式的断面図である。本発明の超伝導スイッチ１は、絶縁基板２と、超伝導体層３と、電極６ｂと、絶縁体層７と、制御電極８とを具備する。絶縁基板２は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成る。絶縁基板２上に超伝導体層３が設けられている。なお、超伝導スイッチ１の横の長さＬ、つまり図１の場合、絶縁基板２の横の長さＬは、例えば約５ｍｍである。
【００１６】
絶縁基板２の例えば（１００）面上に、超伝導体層３がパルスレーザー蒸着法等により設けられている。超伝導体層３は、薄膜で形成されるべきであり（薄膜として形成されることが望ましく）、具体的には、厚さｈは１μｍ以下であることが望ましい。さらに望ましくは、厚さｈは５０００オングストローム以下であることが望ましい。超伝導体層３は、例えば、バリウム−鉛−ビスマス−酸素（Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ、ＢＰＢＯ）から成る。
【００１７】
その他、超伝導体層３として、バリウム−鉛−ビスマス−酸素と類似の物性をしめす物質であってもよい。例えば、バリウム−カリウム−ビスマス−酸素（Ｂａ−Ｋ−Ｂｉ−Ｏ、ＢＫＢＯ）、又は、イットリウム−バリウム−銅−酸素（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、ＹＢＣＯ）、又は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、ＢＳＣＣＯ）であってもよい。
【００１８】
超伝導体層３には電極６ｂが設けられている。具体的には、図１に示す超伝導スイッチ１の場合、超伝導体層３の上面３ａに電極６ｂが設けられている。そして、超伝導体層３上であって、図１では電極６ｂの近傍に、絶縁体層７が設けられている。絶縁体層７は、低温で誘電率が大きくなるような物質であり、例えば、１００Ｋ以下で比誘電率がおよそ５００〜１００００ぐらいである。このような物質として、絶縁体層７は、例えば、ストロンチウム−チタニウム−酸素、より具体的にはＳｒＴｉＯ３で形成される。その他、ＳｒＴｉＯ３と結晶構造及び格子定数が類似しており低温で誘電率が大きい物質として、絶縁体層７に、ストロンチウム−バリウム−チタニウム−酸素（Ｓｒ−Ｂａ−Ｔｉ−Ｏ）、又は、ストロンチウム−カルシウム−チタニウム−酸素（Ｓｒ−Ｃａ−Ｔｉ−Ｏ）を用いてもよい。
【００１９】
絶縁体層７には制御電極８が設けられている。なお、図１に示す超伝導スイッチ１を含む素子では、電極６ｂの他に、便宜上、電極６ａ、６ｃ、６ｄが超伝導体層３の上面３ａに設けられている。この電極６ａ、６ｃ、６ｄの役割については、後述する。
【００２０】
電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄはそれぞれ、例えば金から成る電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、銀（Ａｇ）から成る電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが設けられて形成されている。電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、パルスレーザー蒸着法や真空蒸着法等により、例えば金（Ａu）の薄膜が超伝導体層３上に蒸着されて形成される。形成された電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に銀ペーストが塗布されて、電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが形成され、リード線１１、１２、１３、１５、１６が設けられている。ただし、これらの金（Ａｕ）から成る電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、後述する実験での計測のために設けられているもので、本発明の超伝導スイッチ１の動作のために本質的なものではなく、必ずしも設けられなくてもよい。
【００２１】
上記のようにして形成された電極６ｂの近傍であって、超伝導体層３上に、絶縁体層７が例えばパルスレーザー蒸着法により形成される。形成された絶縁体層７上に、銀ペーストが塗布されることにより制御電極８が形成され、リード線１４が設けられる。絶縁体層７が形成されている電極４ｂ、４ｃ間の距離ｌ（エル）は、例えば０．５ｍｍである。なお、図１に示す超伝導体スイッチ１では、銀ペーストで制御電極８を形成しているが、銀ペーストを用いる場合に限られない。なお、金（Ａｕ）から成る電極４ｂ、及び銀ペーストで形成されている電極５ｂについても、同様に、リード線１２が超伝導体層３に導通して設けられれば、金（Ａｕ）及び銀ペーストを用いる場合に限られない。なお、本発明の超伝導スイッチ１におけるこれら全ての構造、つまり、超伝導体層３、絶縁体層７、電極６ｂ、制御電極８は、図１で示すように、絶縁基板２の一つの面上にのみ構築される。
【００２２】
上記のような構成の超伝導スイッチ１では、図１において制御電極８の下方に位置する超伝導体層３の電気抵抗は、制御電極８に電圧（以下、ゲート電圧Ｖｇという）を印加することにより、大きく変化する。この原理を以下に説明する。超伝導体層３は、ゲート電圧Ｖｇを印加していない時の超伝導臨界温度以下において超伝導状態にある。ところが、ゲート電圧Ｖｇを印加すると、超伝導体層３は、超伝導状態から常伝導状態に転移する。これは、ゲート電圧Ｖｇにより制御電極８の下方に位置する超伝導体層３内のキャリア密度が変化するが、超伝導転移温度がこのキャリア密度に依存することが原因であるためと考えられる。
【００２３】
さらに、詳しく説明すると、絶縁体層７が、超伝導体層３と制御電極８と共に、コンデンサーを形成する。そして、絶縁体層７の高い絶縁性により、高い電圧（強い電界Ｅ）を印加できる。この強い電界Ｅと絶縁体層７が有する高い誘電率εとにより、超伝導体層３中のキャリア密度を大きく変えることができる（キャリア密度の変化量Δｎは、誘電率ε×電界Ｅ、つまり、εＥに比例する）。
【００２４】
超伝導状態において電気抵抗が０Ωであった超伝導体層３は、常伝導状態において電気抵抗を有するようになる（抵抗状態になる）。ゲート電圧Ｖｇの印加を減らせば（又は、やめれば）、超伝導体層３は、再び常伝導状態から超伝導状態へと転移し、電気抵抗も０Ωとなる。よって、制御電極８にかけるゲート電圧Ｖｇを変えることにより、超伝導体層３の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて（切り替えて）、超伝導体層３に流れる超伝導電流を制御する超伝導スイッチとして用いることが可能となるのである。
【００２５】
（変形例）
図６は、本発明の変形例に係る超伝導スイッチ（超伝導スイッチング素子）５１を含む原理的な構成を示す模式的断面図である。図６に示す超伝導スイッチ５１は、図１で示した超伝導スイッチ１に類似し、同一の構成部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。以下、超伝導スイッチ５１が、超伝導スイッチ１と異なる点について簡単に説明する。
【００２６】
超伝導スイッチ５１では、超伝導体層３の上面３ａに電極５６ｂが形成されており、電極５６ｂを介してリード線５３が設けられている。つまり、本変形例では、図６に示すように、電極５６ｂは、絶縁体層７及び制御電極８の近傍には設けられていない。電極５６ｂは、例えば金等の金属を蒸着することにより形成されている。本変形例の場合も図１に示した超伝導スイッチ１の場合と同様に、リード線５３が超伝導体層３に導通して設けられていればよい。制御電極８についても、本変形例では、図１の超伝導スイッチ１と同様に、銀ペーストで形成されているが、銀ペーストで形成される場合に限られない。
【００２７】
なお、電極５６ｂに設けられているリード線５３の先端部５３ａ、及び、ゲート電圧Ｖｇをかけるために設けられているリード線５２の先端部５２ａは、同じ電位となっている（図６では、共に接地されている）。
【００２８】
本変形例に係る超伝導スイッチ５１においても、制御電極８にかけるゲート電圧Ｖｇを変えることにより、超伝導体層３の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて（切り替えて）、超伝導体層３に流れる超伝導電流を制御する超伝導スイッチとして用いることができる。
【００２９】
（実験例）
上記原理、つまり、超伝導スイッチ１、５１を含む素子を用いて、超伝導体層３の物性に電界が及ぼす効果を調べるために、以下のような実験が行われた。この実験では、超伝導体層３の電気抵抗の変化を調べるために、図１に示される超伝導スイッチ１を含む素子が使用され、４端子法と呼ばれる測定方法が用いられた。４端子法は、図１で示されように４つの電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄのうち、両端に設けられた電極６ａ、６ｄ間に電流を流し、内側に設けられた２つの電極６ｂ、６ｃ間の電圧降下を測定する方法である。一方、電極間（例えば電極６ａ、６ｄ間）に電流を流し、同じ電極間（電極６ａ、６ｄ間）の電圧降下を測定する方法は、２端子法と呼ばれる。
【００３０】
電極６ａ、６ｄ間にリード線１１、１６を介して電流を流す場合、２端子法により超伝導体層３の電気抵抗を測定すると、リード線１１、１６の電気抵抗や、リード線１１、１６と電極４ａ、４ｄとの接触抵抗、さらには電極４ａ、４ｄと超伝導体層３との接触抵抗も含んで測定してしまう。一方、４端子法では、電極６ａ、６ｄ間に電流を流しつつ、電極６ａ、６ｄ間よりも内側に設けられた２つの電極６ｂ、６ｃ間の電圧降下を測定し、超伝導体層３の電気抵抗を算出する。これにより、リード線１１、１６の電気抵抗や、リード線１１、１６と電極４ａ、４ｄとの接触抵抗や、電極４ａ、４ｄと超伝導体層３との接触抵抗を含んで測定しないので、超伝導体層３そのものの電気抵抗を測定することができる。
【００３１】
本実験例では、超伝導体層３としてＢａＰｂｘＢｉ１−ｘＯ３（ただし、ｘは０．６５よりも大きく０．７２よりも小さい数字である）の電気抵抗の変化を実際に調べた。つまり、上記４端子法を用い、ゲート電圧Ｖｇを印加した場合の超伝導体層３の電気抵抗の変化を調べた。そして、この実験で、特に、超伝導体層３としてＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗がゲート電圧Ｖｇの印加により大きく変化することを発見した。
【００３２】
図２は、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗の温度依存性を示すグラフである。図２の横軸は絶対温度Ｔ（Ｋ）であり、縦軸はＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗Ｒ（Ω）である。黒い丸で示された測定点を結ぶ曲線２１は、ゲート電圧Ｖｇを印加していないとき（Ｖｇ＝０Ｖ）の電気抵抗Ｒの温度依存性を示す。また、黒い三角２２で示された測定点を結ぶ曲線２２、黒い四角で示された測定点を結ぶ曲線２３はそれぞれ、ゲート電圧Ｖｇを−９Ｖ、−１０Ｖに印加したときの電気抵抗Ｒの温度依存性を示す。
【００３３】
図２の曲線２１に示されるように、ゲート電圧Ｖｇを印加していない状態では、５Ｋ付近において、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３は、電気抵抗Ｒが０Ωの超伝導状態となる。これに対し、ゲート電圧Ｖｇを印加した場合は、曲線２２、２３で示されるように、同じ５Ｋ付近において、まだ電気抵抗Ｒを有しており、超伝導状態にはなっていない。つまり、ゲート電圧Ｖｇを印加したときは、ゲート電圧Ｖｇを印加しない場合に比べて、常伝導状態から超伝導状態になる超伝導転移温度がより低下していることがわかる。
【００３４】
図３は、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗のゲート電圧Ｖｇ依存性を示すグラフである。図３のグラフは、常温下の液体ヘリウム中において、ゲート電圧Ｖｇの印加を変化させながら、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗Ｒを測定したものである。図３の横軸はゲート電圧Ｖｇ（Ｖ）であり、縦軸はＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗Ｒ（Ω）である。黒い丸で測定点が示されている。
【００３５】
図３に示されるように、常圧下の液体ヘリウム（ＬＨｅ：Liquid Helium）中（絶対温度Ｔ＝４．２Ｋ）において（図３のグラフ中にｉｎ  ＬＨｅ（４．２Ｋ）と示す）、ゲート電圧Ｖｇを印加していないとき、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３は、超伝導状態にある。つまり、図３のグラフに示されるように、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗Ｒは０Ωの状態にある。この超伝導状態において、ゲート電圧Ｖｇを印加していく（図３のグラフの横軸においてマイナスの電圧が増加する左の方向に印加していく）。すると、ゲート電圧Ｖｇが−９Ｖ付近において、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗Ｒの値が急激に上昇する。つまり、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３は、超伝導状態から常伝導状態へと転移（変化）する。
【００３６】
次に、再びゲート電圧Ｖｇの印加を減らしていく（図３のグラフの横軸においてマイナスの電圧が減少する右の方向に印加を減らしていく）。すると、上昇していた電気抵抗Ｒの値は、急激に減少し、ゲート電圧Ｖｇが−９Ｖ付近において、再び電気抵抗Ｒが０Ωになる。つまり、ＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３は、常伝導状態から超伝導状態へと転移する。
【００３７】
このように、制御電極８にかける電圧、つまり、ゲート電圧Ｖｇの印加を制御することにより、超伝導体層３の超伝導状態と常伝導状態とを転移させることができる。要するに、ゲート電圧Ｖｇの印加により、抵抗が０Ωとなり超伝導電流が流れる超伝導状態と、抵抗状態（抵抗を有する状態）となり超伝導電流が流れない常伝導状態とを制御する（切り替える）ことができるので、電気的に動作する超伝導スイッチ（超伝導−常伝導スイッチ）を実現することができる。
【００３８】
なお、上記で説明した本発明の超伝導スイッチ１を含む素子には、４端子法を用いた測定を行うため、電極６ｂに加えて、さらに３つの電極６ａ、６ｃ、６ｄを設けている。しかし、４端子法を用いた測定を行わない場合には、電極６ａ、６ｃ、６ｄは、設ける必要はない。
【００３９】
本発明の超伝導スイッチ１、５１は、電気的に動作するので、従来の熱的に動作する超伝導スイッチと比べて、速い応答が期待されるため、速度の向上を図ることができる。また、超伝導スイッチ１、５１の構造は、それぞれ図１、図６に示したように簡単であり、また、これら全ての構造が絶縁基板２の上方の面上のみに構築されているため、超伝導スイッチ１、５１自体の製造はもちろん、超伝導スイッチ１、５１を用いたメモリ素子等の装置の製造を容易に行える。さらに、本発明の超伝導スイッチ１、５１では、超伝導体層３に例えば１０〜１００ｍＡというオーダーの電流を流すことができる。このように、超伝導スイッチ１、５１に流せる電流の容量は、従来の電気的に作動するジョセフソン素子を用いた超伝導スイッチに流せる電流のオーダーがμＡ程度であることに比べて非常に大きい。したがって、この超伝導スイッチ１をエレクトロニクス等の応用分野に広く適用（応用）することが容易である。
【実施例１】
【００４０】
以下に、本発明の超伝導スイッチ１、５１を用いた応用例を示す。図４は、この応用例の一つである実施例１に係るメモリ素子３１を示す概略的な模式図である。図４に示す実施例に係るメモリ素子３１は、超伝導体からなる閉回路３２の一部を、本発明の超伝導スイッチ１、５１（図中に点線で示す）で構成したものである。メモリ素子３１は、上記のような簡単な構造であるため、製造が非常に容易である。
【００４１】
このメモリ素子３１の動作について説明する。メモリ素子３１は、超伝導状態にあり、かつ、超伝導スイッチ１、５１にゲート電圧Ｖｇは印加されていない状態である。この状態では、超伝導体からなる閉回路３２には超伝導永久電流が流れて、閉回路３２の内側３４に生じた磁束は保存される（一定に保たれる）。この状態が、閉回路３２内に情報が記憶されている状態である。さらに、閉回路３２の内側３４に保たれている磁束は量子化しているので、この量子化した磁束（磁束量子）を単位として情報を記憶することができる。
【００４２】
ここで、メモリ素子３１を構成している超伝導スイッチ１に、ゲート電圧Ｖｇを印加する。すると、超伝導スイッチ１では超伝導体層３（図１参照）が超伝導状態から常伝導状態に転移する。閉回路３２の一部を構成している超伝導スイッチ１の超伝導状態が壊れて常伝導状態に転移するので、閉回路３２の閉じた超伝導状態が壊れ、閉回路３２の内側３４に保存されていた磁束が変化する（できる）。この状態で、例えば矢印３３で示される方向に励起電流を流す。この励起電流は閉回路３２の内側（中）３４に磁束を発生させるための電流である。
【００４３】
ここで再び、ゲート電圧Ｖｇの印加を減らす（又はやめる）と、超伝導スイッチ１の超伝導体層３は常伝導状態から超伝導状態に転移する。したがって、閉回路３２の一部を構成している超伝導スイッチ１が超伝導状態へ転移するので、閉回路３２の閉じた超伝導状態が復活し、閉回路３２の内側３４の磁束が再び一定に保たれる（保存される）。
【００４４】
要するに、制御電極８（図１参照）にかける電圧、つまり、ゲート電圧Ｖｇにより、超伝導体層３（図１参照）の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、閉回路３２の内側（閉回路３２内）３４に保存される磁束の制御を行うことができるのである。
【実施例２】
【００４５】
本発明の超伝導スイッチ１を用いてさらなる応用例（実施例２）を考えることができる。図５は、磁束変化センサ４１を示す模式図である。図５の実施例２に係る磁束変化センサ４１の構成は、図４に示した実施例１に係るメモリ素子３１の構成と類似し、同一の部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００４６】
磁束変化センサ４１は、超伝導体からなる閉回路３２と、閉回路３２からの電流を検出する検出部４４と、を具備し、閉回路３２の一部を本発明の超伝導スイッチ１、５１で構成したものである。言い換えれば、実施例２の磁束変化センサ４１は、実施例１で示したメモリ素子３１の一端に、さらに検出部４４を設けたものである。検出部４４は、例えば電気抵抗体４２と電圧計４３とから成る。なお、この電気抵抗体４２は、図５で示されるように例えば接地しておく。磁束変化センサ４１をこのような構成とすることにより、磁束の変化を読み取れる測定器として利用することができる。
【００４７】
この磁束変化センサ４１の動作について簡単に説明する。超伝導スイッチ１、５１にパルス状のゲート電圧Ｖｇを印加することにより、閉回路３２の内側３４に保存されている磁束が変化すると、磁束の変化分に相当する電流が電気抵抗体４２を介して接地された外部へと流れる。電気抵抗体４２により生じた電圧降下を電圧計４３で測定することにより、閉回路３２の内側３４に保存されていた磁束の変化を読み取ることができる。つまり、超伝導スイッチ１の制御電極８にかける電圧を制御することにより、超伝導体層３の超伝導状態と常伝導状態とを転移させて、閉回路３２内（閉回路３２の内側３４）に保存される磁束の制御を行い、この磁束の出入力に伴う電流を検出部４４により検出する。この検出により、閉回路３２の内側３４に保存されていた磁束の変化を読み取ることができる磁束変化センサ４１として利用できる。
【００４８】
さらに本発明の超伝導スイッチ１、５１を用いた他の応用例が考えられる。つまり、上記実施例２で説明したような磁束の変化に相当して流れる電流を読み出すことにすれば、閉回路３２内に保存された記憶情報の読み出し方法として、要するに、実施例１で説明したようなメモリ素子３１の記憶情報の読み出し方法として、利用することができる。なお、この場合の読み出しは、上記電流に相当する情報を一旦読み出せば、その情報は消えてしまう破壊的読み出しである。
【００４９】
他方、メモリ素子３１とは別個にメモリ素子４１を設けることにより、非破壊的読み出しを行うメモリ素子を構成することができる。
【００５０】
以上、本発明に係る超伝導スイッチの発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の利用分野（応用）としては、超伝導電流のスイッチや磁束の制御が必要な超伝導弱電分野、例えばメモリ素子、磁束センサー等の超伝導エレクトロニクスや、微小モーター等のメカトロニクス分野へ応用（適用）することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の超伝導スイッチを含む素子の原理的な構成を示す模式的断面図ある。
【図２】超伝導体層の例であるＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗の温度依存性を示すグラフである。
【図３】超伝導体層の例であるＢａＰｂ０．７２Ｂｉ０．２８Ｏ３の電気抵抗のゲート電圧Ｖｇ依存性を示すグラフである。
【図４】実施例１に係るメモリ素子を示す概略的な模式図である。
【図５】実施例２に係る磁束変化センサを示す概略的な模式図である。
【図６】本発明の変形例に係る超伝導スイッチを含む原理的な構成を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、５１    超伝導スイッチ
２    絶縁基板
３    超伝導体層
３ａ    上面
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、５６ｂ    電極
７    絶縁体層
８    制御電極
１１、１２、１３、１４、１５、１６、５２、５３    リード線
２１、２２、２３    曲線          
３１    メモリ素子               
３２    閉回路                   
３３    矢印                     
３４    閉回路の内側             
４１    磁束変化センサ           
４２    電気抵抗体               
４３    電圧計                   
４４    検出部                   
５２ａ、５３ａ    先端部
【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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【図６】
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