(57)【要約】【課題】常伝導状態においても超伝導三端子素子における超伝導電極間の電流値を制御可能にする。【解決手段】二つの超伝導電極１０１，１０２間の常伝導チャネルによる接合部として強磁性体１０４を適用する。これにより、電流注入用の電極１０３から注入される電流量に依存して、超伝導体と強磁性体との間におけるアンドレーフ反射の電流量が変化するので、超伝導電極１０１，１０２間の電流値を制御することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの超伝導電極と、
当該二つの超伝導電極を接合する常伝導チャネルによる接合部として設けられた強磁性体と、
電流を注入することにより前記超伝導体電極間で前記強磁性体による常伝導チャネル中に流れる電流を制御する電流注入用の電極と、
を有することを特徴とする超伝導三端子素子。
【請求項２】
前記強磁性体は、前記二つの超伝導電極のうちの少なくとも一方に接した状態にあることを特徴とする請求項１記載の超伝導三端子素子。
【請求項３】
前記強磁性体は、金属磁性体が用いられることを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導三端子素子。
【請求項４】
前記強磁性体は、希薄磁性半導体が用いられることを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導三端子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常伝導チャネル層を接合部に持つ超伝導三端子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、常伝導チャネル層を接合部に持つ従来の超伝導三端子素子の構造を示す模式図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ間の断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）におけるＢ−Ｂ間の断面図をそれぞれ示している。図３に示すように、超伝導電極（ソース）２０１と超伝導電極（ドレイン）２０２とを接合する接合部として常伝導チャネル層２０４を備え、この常伝導チャネル層２０４には、電流を注入することにより超伝導電極２０１，２０２間に流れる電流を制御する電流注入用電極２０３が接続されている。通常、超伝導電極２０１，２０２としてはＮｂやＮｂＮが用いられ、常伝導チャネル層２０４としてはＣｕやＡｕの金属、ＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓ等の縮退半導体が用いられる。
【０００３】
この超伝導三端子素子の動作原理は次の通りである。一般的に、超伝導体と常伝導体との界面では、常伝導体から超伝導体に超伝導体のエネルギーギャップΔ以下のエネルギーを持った電子が入射すると、超伝導体側にクーパー対が生成される。このクーパー対を実際に生成するためにはもう一個電子が必要になるが、この分が正孔となって常伝導体側に生成される。すなわち、入射電子が正孔となって反射されることになる。これは、アンドレーフ反射と呼ばれる現象である。
【０００４】
図３に示すような、超伝導体／常伝導体／超伝導体の接合では、このアンドレーフ反射を無限に繰り返すことにより、超伝導電極２０１、２０２間に超伝導電流が流れる。量子力学的な観点からいうと、バリスティックで短い接合の場合、このアンドレーフ反射の無限の繰り返しにより、二つのアンドレーフ束縛状態が形成される。これら二つのアンドレーフ束縛状態により流される超伝導電流は、それぞれ逆向きになっており、二つの超伝導電極２０１，２０２間に位相差がない場合、超伝導電流は互いに打ち消し合ってゼロとなる。一方、二つの超伝導電極間に位相差がある場合、ケミカルポテンシャル以下に形成されるアンドレーフ束縛状態により超伝導電流が流れる。また、位相差がπの場合には、超伝導電流の絶対値が最大となり、電流の向きが正から負に一気に変わる。この振る舞いからすると、電流注入用電極２０３から非平衡なキャリア注入を行うことによって、ケミカルポテンシャルの上にあるアンドレーフ束縛状態への励起が起こると、超伝導電流の向きが反転し、大きな電流の揺らぎを引き起こし、見かけ上の臨界電流値を小さくできると考えられる。この動作原理に従って、非特許文献１に示されるように、電流注入用電極から電流を注入することで、超伝導電極間に流れる超伝導電流の大きさを制御することができる。なお、本願に関連する公知技術としては、非特許文献１の他に非特許文献２がある。
【非特許文献１】T. Schapers, Seperconductor/Semiconductor junstion, Chapter 8, (Spring-Verlag, Berlin Heidelberg, 2001)
【非特許文献２】R. J. Soulen Jr., J. M. Byers, M. S. Osofsky, B. Nadgorney, T. Ambrose, S. F. Cheng, P. R. Broussard, C. T. Tanaka, J.Nowak, J. S. Mooders, A. Barry, and J. M. D. Coey, Science 282, p85-88, (1998)
【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、従来の超伝導三端子素子の構造では、超伝導臨界電流以上の大きな電流を電流注入用電極に印加して常伝導状態に転移した後には、超伝導電極間の電流値（すなわち素子の抵抗値）の制御が困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、超伝導三端子素子が常伝導状態にある場合でも超伝導電極間の電流値を制御可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る超伝導三端子素子は、二つの超伝導電極と、当該二つの超伝導電極を接合する常伝導チャネルによる接合部として設けられた強磁性体と、電流を注入することにより前記超伝導体電極間で前記強磁性体による常伝導チャネル中に流れる電流を制御する電流注入用の電極と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、超伝導三端子素子における二つの超伝導電極を接合する常伝導チャネルによる接合部として強磁性体を適用したことで、電流注入用の電極から注入される電流量に依存して、超伝導体と強磁性体との間におけるアンドレーフ反射の電流量が変化するので、超伝導電極間の電流値の制御が可能となる。
【０００９】
本発明は、上記超伝導三端子素子において、前記強磁性体が前記二つの超伝導電極のうちの少なくとも一方に接した状態にあることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、上記超伝導三端子素子において、前記強磁性体に金属磁性体が用いられることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、上記超伝導三端子素子において、前記強磁性体に希薄磁性半導体が用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、常伝導状態においても超伝導電極間の電流値を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本実施の形態における超伝導三端子素子の構成を示す模式図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ間の断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）におけるＢ−Ｂ間の断面図をそれぞれ示している。図１に示すように、本超伝導三端子素子は、超伝導電極（ソース）１０１、超伝導電極（ドレイン）１０２、これらの超伝導電極１０１，１０２を接合する常伝導チャネルによる接合部として設けられた強磁性体１０４、電流を注入することにより超伝導体電極１０１，１０２間で強磁性体１０４による常伝導チャネル中に流れる電流を制御するための電流注入用の電極１０３、を有する構成である。図１では、強磁性体１０４の上表面に超伝導電極１０１，１０２、および電流注入用の電極１０３がそれぞれ接触した状態を示しているが、超伝導電極１０１，１０２は、少なくとも一方が強磁性体１０４に接触していればよい。
【００１４】
超伝導電極２０１，２０２としては、ＮｂやＮｂＮが用いられる。強磁性体１０４によるチャネル物質としては、超伝導体への電流の注入効果を考慮して、キャリア密度の小さなものが望ましい。強磁性体１０４には、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ（パーマロイ）やＣｏのような金属磁性体、あるいはＩｎＭｎＡｓやＧａＭｎＡｓのような希薄磁性半導体を用いる。電流注入用の電極１０３には、ＴｉやＡｕが用いられる。
【００１５】
図１に示すように、一例として、超伝導電極１０１，１０２間の距離は０．２μｍ〜１μｍの範囲にあるものとし、電流注入用の電極１０３と超伝導電極１０１、１０２との間の距離は１０μｍとする。また、電流注入用電極１０３の厚さは２５０ｎｍ、超伝導電極１０１，１０２の厚さは８０ｎｍ、強磁性体１０４の厚さは２０ｎｍとする。
【００１６】
本超伝導三端子素子は、このような構成とすることで、電流注入用電極１０３から注入する電流量によって、超伝導電極１０１，１０２間の超伝導電流の大きさを制御可能とするものである。以下、この点について詳細に説明する。
【００１７】
アンドレーフ反射では、一個の電子（または正孔）が常伝導体から超伝導体に入射すると、二つの電子からなる一つのクーパー対が生じるので、正味二個の電荷が伝導したことになる。このため、常伝導体と超伝導体の界面を含む系のコンダクタンスは、通常の常伝導体による電極のコンダクタンスの２倍の大きさとなる。ここで重要なことは、クーパー対が上向きスピン及び下向きスピンの電子（または正孔）で構成される点である。つまり、アンドレーフ反射が生じるためには、常伝導体側に入射電子（または正孔）が持つスピンと反対向きのスピンを持つ電子（または正孔）が必要になる。強磁性体によるチャネル中の電子（または正孔）のスピンは偏極しているため、アンドレーフ反射は、スピンを持つ電子（または正孔）の少ない方の数で制限される。このことから、仮にスピンの偏極率が１００％の場合には、アンドレーフ反射は完全に抑制され、超伝導電極１０１，１０２の間には電流が流れなくなる。
【００１８】
図２は、本超伝導三端子素子における超伝導電極１０１，１０２間の微分コンダクタンスと両電極１０１，１０２間の電圧との関係について電流注入用電極１０３から注入した電流量への依存特性を示すグラフである。同グラフの横軸は、超伝導電極１０１，１０２間の電圧であり、超伝導電極（ソース）１０１の電位に対して超伝導電極（ドレイン）１０２の電位が高い場合を正としている。
【００１９】
ここでは、超伝導電極（ソース）１０１、超伝導電極（ドレイン）１０２としてＮｂを用い、強磁性体１０４としてｐ型IｎＭｎＡｓを用い、電流注入用電極１０３としてＴｉ（５０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）を用いている。また、絶対温度Ｔは０．７Ｋである。
【００２０】
微分コンダクタンスの測定はロックインアンプを用いて次のように行った。まず、電流注入用電極１０３から一定の電流量を与えた状態で、超伝導電極１０１，１０２間に直流電流（または直流電圧）を印加し、この直流電流（直流電圧）に任意の周波数の微小な交流電流（または交流電圧）を重畳する。そして、この重畳した交流電流（または交流電圧）に同期した周波数成分の出力電圧（または電流）を検出する。ここで印加した微小な交流電流の振幅を、検出した周波数成分の出力電圧の振幅で割ることにより、印加した直流電流値での微分コンダクタンスを測定する。
【００２１】
図２のグラフは、電流注入用電極１０３に与える電流量Ｉinjを０から３μＡまで０．２μＡずつのステップで変化させたときの特性を示している。具体的には、同図の実線ａはＩinj＝０μＡ、実線ｂはＩinj＝０．２μＡ、実線ｃはＩinj＝０．４μＡ、実線ｄはＩinj＝０．６μＡ、実線ｅはＩinj＝０．８μＡ、実線ｆはＩinj＝１．０μＡ、実線ｇはＩinj＝１．２μＡ、実線ｈはＩinj＝１．４μＡである。また、破線ｉはＩinj＝１．６μＡ、破線ｊはＩinj＝１．８μＡ、破線ｋはＩinj＝２．０μＡ、破線ｌはＩinj＝２．２μＡ、破線ｍはＩinj＝２．４μＡ、破線ｎはＩinj＝２．６μＡ、破線ｏはＩinj＝２．８μＡ、破線ｐはＩinj＝３．０μＡである。
【００２２】
このグラフに示されるように、電流注入用の電極１０３に電流を注入していない実線ａの場合には、強磁性体１０４中の正孔のスピンは偏極しているため、超伝導電極１０１，１０２のギャップ電圧２Δに相当する約±３ｍＶの範囲において微分コンダクタンスの著しい減少が観測されている。一方で、電流注入用電極１０３から電流を注入していくと、ゼロバイアス近傍の減少していた微分コンダクタンスが回復していくことが分かる。すなわち、注入電流の大きさによって、超伝導電極１０１，１０２間の電流値を制御できることを示している。
【００２３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、二つの超伝導電極１０１，１０２間の常伝導チャネルによる接合部として強磁性体１０４を適用したことで、電流注入用の電極１０３から注入される電流量に依存して、超伝導体と強磁性体との間におけるアンドレーフ反射の電流量が変化するので、超伝導電極１０１，１０２間の電流値を制御することが可能となる。なお、アンドレーフ反射の電流量が変化するのは、強磁性体中のスピン偏極率が変化するためと考えられるが、他のメカニズムも有り得るので、現段階ではその解明に検討を要するところである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一実施の形態における超伝導三端子素子の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ間の断面図、図１（ｃ）は同図（ａ）におけるＢ−Ｂ間の断面図である。
【図２】上記超伝導三端子素子における超伝導電極間の微分コンダクタンスと両電極間の電圧との関係について電流注入用電極から注入した電流量への依存特性を示すグラフである。
【図３】従来の超伝導三端子素子の構成を示す模式図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ間の断面図、図３（ｃ）は同図（ａ）におけるＢ−Ｂ間の断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０１…超伝導電極（ソース）
１０２…超伝導体電極（ドレイン）
１０３…電流注入用電極
１０４…強磁性体
２０１…超伝導電極（ソース）
２０２…超伝導電極（ドレイン）
２０３…電流注入用電極
２０４…常伝導チャネル層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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