(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導層―絶縁層―超伝導層から成る積層状態のジョセフソン接合構造を有し、ジョセフソン接合面に垂直に電流を流し、且つジョセフソン接合面にほぼ平行に磁場を印加することにより生じるジョセフソン磁束線フロー電圧の周期的な変動に基づく高感度磁場センサーであって、予め測定して求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧−磁場曲線と電流を流した状態で測定した電圧の値から、対応する磁場を検知するようにし、ジョセフソン接合面に垂直に流れる電流の電流密度が、１００Ａ／ｃｍ２以下であり、印加する磁場の方向のジョセフソン接合面に対しての傾きが、０．３度以内であり、且つ１×１０−８Ｇａｕｓｓ以下の高感度で磁場の検知が行えることを特徴とする高感度磁場センサー。
【請求項２】
超伝導体が、酸化物高温超伝導体であることを特徴とする請求項１に記載の高感度磁場センサー。
【請求項３】
酸化物高温超伝導体が、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏｘ化合物系酸化物高温超伝導体であることを特徴とする請求項２に記載の高感度磁場センサー。
【請求項４】
ジョセフソン接合面に印加する磁場の方向及び電流の方向に対して直交するジョセフソン接合面の幅により、ジョセフソン磁束線フロー電圧の変動の周期が決定され、その周期がジョセフソン接合面の幅に反比例することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高感度磁場センサー。
【請求項５】
Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏｘ化合物系酸化物高温超伝導体が、特性を損なわない範囲で組成調整、元素添加或いは元素置換されたもの、酸素濃度が制御されたものの少なくとも１種であることを特徴とする請求項３または４に記載の高感度磁場センサー。
【請求項６】
ジョセフソン接合部が超伝導層−絶縁層−超伝導層構造の超伝導多層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の高感度磁場センサー。
【請求項７】
動作温度が超伝導転移温度以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の高感度磁場センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、高感度磁場センサーに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高磁場領域での微弱な磁場の変化の観測が可能な高感度磁場センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、磁場を検知するには半導体を用いたホール素子が一般的に使用されているが、最も感度の良い２次元電子ガスホール素子で１０-3Ｇａｕｓｓ程度の磁場強度の検出にとどまっている。ホール素子よりもさらに感度の良い磁場センサーとしては超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）があり、このＳＱＵＩＤの場合には、１０-7Ｇａｕｓｓの磁場強度を検出できる。
【０００３】
しかしながらＳＱＵＩＤの場合、低磁場領域でしか使用できないこと、磁気シールドが必要なこと、また液体ヘリウム温度での動作が必要であることなどの様々な問題を有していた。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、高磁場領域での微弱な磁場の変化の観測が可能な高感度磁場センサーを提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、超伝導層―絶縁層―超伝導層から成る積層状態のジョセフソン接合構造を有し、ジョセフソン接合面に垂直に電流を流し、且つジョセフソン接合面にほぼ平行に磁場を印加することにより生じるジョセフソン磁束線フロー電圧の周期的な変動に基づく高感度磁場センサーであって、予め測定して求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧−磁場曲線と電流を流した状態で測定した電圧の値から、対応する磁場を検知するようにし、ジョセフソン接合面に垂直に流れる電流の電流密度が、１００Ａ／ｃｍ２以下であり、印加する磁場の方向のジョセフソン接合面に対しての傾きが、０．３度以内であり、且つ１×１０−８Ｇａｕｓｓ以下の高感度で磁場の検知が行えることを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
【０００６】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、超伝導体が、酸化物高温超伝導体であることを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
【０００７】
さらに、第３には、第２の発明において、酸化物高温超伝導体が、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2ＯX化合物系酸化物高温超伝導体であることを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
【０００８】
また、第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、ジョセフソン接合面に印加する磁場の方向及び電流の方向に対して直交するジョセフソン接合面の幅により、ジョセフソン磁束線フロー電圧の変動の周期が決定され、その周期がジョセフソン接合面の幅に反比例することを特徴とする高感度磁場センサーをも提供する。
【００１１】
第５には、第３又は第４の発明において、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2ＯX化合物系酸化物高温超伝導体が、特性を損なわない範囲で組成調整、元素添加或いは元素置換されたもの、酸素濃度が制御されたものの少なくとも１種であることを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
【００１２】
第６には、第１の発明において、ジョセフソン接合部が超伝導層−絶縁層−超伝導層構造の超伝導多層構造を有することを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
【００１３】
第７には、第１ないし６のいずれかの発明において、動作温度が超伝導転移温度以下であることを特徴とする高感度磁場センサーを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の高感度磁場センサーは、超伝導体によるジョセフソン接合部を有し、ジョセフソン接合面に垂直に電流を流し、且つジョセフソン接合面にほぼ平行に磁場を印加することにより生じるジョセフソン磁束線フロー電圧の周期的な変動に基づく磁場センサーであって、予め測定して求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧−磁場曲線と電流を流した状態で測定した電圧の値から、対応する磁場を検知するものである。
【００１５】
すなわちこの出願の発明の高感度磁場センサーは、わずかな磁場の変化に対応して変化する電圧の値を測定し、その測定した電圧の変化量と予め求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧−磁場曲線を用いることによって、対応する微弱な磁場の変化量を検知することができるのである。
【００１６】
また上記の方法によってジョセフソン磁束線フロー電圧に対応したジョセフソン磁束線フロー抵抗が生じることから、ジョセフソン磁束線フロー抵抗−磁場曲線と電流を流した状態で測定した抵抗の変化量から、対応する磁場の変化量を検知することももちろん可能である。
【００１７】
このとき超伝導体として、特にＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2ＯX化合物系酸化物高温超伝導体等の酸化物高温超伝導体単結晶を用いることによって、酸化物高温超伝導体単結晶内に存在する積層状態のジョセフソン接合構造を利用することができる。
【００１８】
たとえば、酸化物高温超伝導体を微細加工してジョセフソン接合部を形成することができ、そのジョセフソン接合面に垂直に電流を流し、且つジョセフソン接合面にほぼ平行に磁場を印加し、ジョセフソン接合面に垂直に流した電流によってジョセフソン磁束線を駆動することで、ジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）が生じる。そして、量子化されたジョセフソン磁束線１本１本のジョセフソン接合内への出入りによって、そのジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）において周期的な変動が観測され、ジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）−磁場曲線が求められる。
【００１９】
その予め求めておいたジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）−磁場曲線と電流を流した状態で測定した電圧（抵抗）の変化量から、対応する磁場の変化量を検知でき、微弱な磁場の変化が観測可能な高感度磁場センサーとすることができる。
【００２０】
なお、量子化されたジョセフソン磁束線１本の物理量は、２．０７×１０-7Ｇａｕｓｓ・ｃｍ2に相当し、この出願の発明の高感度磁場センサーは、接合の大きさにより、そのジョセフソン磁束線の本数を計測することもできる。
【００２１】
たとえば、図３に示しているジョセフソン磁束線フロー抵抗−磁場曲線から、抵抗の磁場に対する傾きが０．１５１９７ｏｈｍ／Ｏｅで得られ、通常入手できる感度の良い抵抗測定器の感度が１×１０-9ｏｈｍ以下であることから、（１×１０-9ｏｈｍ）／（０．１５１９７ｏｈｍ／Ｏｅ）＜１×１０-8Ｏｅとなり、この場合の高感度磁場センサーは１×１０-8Ｇａｕｓｓよりも小さい精度で磁場を検知することができ、微弱な磁場の変化を観測することができる。
【００２２】
ジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）に現れる周期的な変動の周期は１つのジョセフソン接合にジョセフソン磁束線が１本入った時の磁場の増加分に比例するため、ジョセフソン接合面に印加する磁場の方向及び電流の方向に対して直交するジョセフソン接合面の幅に反比例することが分かっており、その幅を限定することでその変動の周期を制御することができ、その周期を制御することによってこの出願の高感度磁場センサーの精度を制御することができる。
【００２３】
なお、ジョセフソン接合面に垂直に流される電流の電流密度が１００Ａ／ｃｍ2以下であり且つジョセフソン接合面に対して磁場の傾きが０．３度以内である場合に、ジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）に周期的な変動が良好に観測される。
【００２４】
また、高感度な磁場センサーとして用いられているＳＱＵＩＤが液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）以下で動作するのに対し、この出願の発明の高感度磁場センサーは、超伝導転移温度から数Ｋ直下から動作し、酸化物超伝導体を用いた場合、液体窒素温度（７７Ｋ）でも十分に動作するため、ＳＱＵＩＤよりも安価であり且つＳＱＵＩＤよりも容易に使用することができる。
【００２５】
また、ＳＱＵＩＤの場合には、低磁場領域でしか使用できず、磁気シールドが必要であるが、この出願の発明の高感度磁場センサーは高磁場領域でも使用することができ、また磁気シールドをする必要がない。
【００２６】
また、この出願の発明の高感度磁場センサーは、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2ＯX化合物系酸化物高温超伝導体が、特性を損なわない範囲で組成調整、元素添加或いは元素置換されたもの、酸素濃度が制御されたもの、準粒子或いはクーパー対が注入されたもの及び積層状態の固有のジョセフソン接合構造を有する他の高温超伝導体に置換可能とされたものの少なくとも１種とすることも可能であり、特に超伝導層間の結合を決定しているキャリア濃度を制御する方法としては、センサー内への準粒子注入法或いはクーパー対注入法が有効であり、これをジョセフソン磁束線フロー電圧（抵抗）の変動の周期の制御方法とすることも可能である。
【００２７】
さらにこの出願の発明の高感度磁場センサーは、そのジョセフソン接合部が従来の超伝導層−絶縁層−超伝導層構造の超伝導多層構造を有するものであっても良い。
【００２８】
また、この出願の発明の高感度磁場センサーにおける動作温度は、ジョセフソン接合部が、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2ＯX化合物系酸化物高温超伝導体等の酸化物高温超伝導体単結晶の場合及び従来の超伝導層−絶縁層−超伝導層構造の超伝導多層構造を有するものの場合のいずれにおいても超伝導転移温度以下である。
【００２９】
この出願の発明における高感度磁場センサーの動作原理は、人工的な超伝導層−絶縁層−超伝導層から成る積層膜を作成する必要がなく、酸化物高温超伝導体単結晶をそのまま用いることができる。また酸化物高温超伝導体単結晶の微細加工において、従来から用いられているイオンビーム等による微細加工技術を踏襲でき、さらに制御用の電極形成等も従来の方法で可能なこと等から、技術的な問題点の多くが解決されている。
【００３０】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３１】
【実施例】
ビスマス２２１２系酸化物高温超伝導体単結晶を用いて、この出願の発明における高感度磁場センサーの性質を評価した。
【００３２】
まず、ビスマス２２１２系酸化物高温超伝導体単結晶（１）を図１（Ａ）に示すように短冊状に切断加工した後、図１（Ｂ）に詳しく示すように収束イオンビームにより固有ジョセフソン接合部（２）を加工した。また図１（Ｃ）は固有ジョセフソン接合部（２）の切断面図であり、図１（Ｃ）中の矢印は、上下方向の矢印が電流の方向、左右方向の矢印が磁場の方向を示している。
【００３３】
図２は微細加工後の固有ジョセフソン接合部（２）の写真であり、接合部（２）の大きさは幅：１８（挿入図中におけるＷ）×奥行き：１６（挿入図中におけるｌ）×高さ：２（挿入図中におけるｔ）μｍ3である。電流は高さ方向、つまりジョセフソン接合面（超伝導層面）と垂直な方向に流し、磁場はジョセフソン接合面にほぼ平行に印加した。
【００３４】
図２の挿入図は実施例に用いた固有ジョセフソン接合部（２）の概略図を示しており、ジョセフソン接合面はｃ軸に垂直である。磁場の方向は、実際にはジョセフソン接合面から約０．０２度傾いており、またジョセフソン接合面に垂直に流した電流の大きさは１μＡである。
【００３５】
図１（Ａ）に示しているように、交流抵抗ブリッジＬＲ−７００を用いた四端子測定法によってジョセフソン磁束線フロー抵抗を測定した。温度６５Ｋにおいて、磁場を増加させたときのジョセフソン磁束線フロー抵抗の変化を図３に示す。ここで、図３の横軸は磁場の大きさであり、縦軸は抵抗の大きさである。
【００３６】
磁場の大きさが３ｋＯｅ付近になったところでジョセフソン磁束線フロー抵抗が現れ始め、７ｋＯｅ付近からジョセフソン磁束線フロー抵抗に周期的な変動が現れている。図３の挿入図に示しているように、ジョセフソン磁束線フロー抵抗の周期的な変動は一定の周期約０．４ｋＯｅを有し、２５ｋＯｅ付近までの広範囲の磁場で周期的な変動が現れている。２５ｋＯｅ付近で変動が止まるのは、ジョセフソン接合面に対する磁場の若干の傾きによってジョセフソン接合面に垂直に磁束線が侵入することでパンケーキ磁束線が生じ、パンケーキ磁束線によるピン止めのためにジョセフソン磁束線フローが停止するためである。
【００３７】
変動の周期が約０．４ｋＯｅであるのはビスマス２２１２系酸化物高温超伝導体単結晶内に存在するジョセフソン接合２個に対してジョセフソン磁束線１本が入ったことに相当している。即ち、ジョセフソン磁束線１本がジョセフソン接合内に出入りすることによってジョセフソン磁束フロー抵抗が大きく変化していることになる。
【００３８】
図３に示す実施例は、１周期を利用してジョセフソン磁束線フロー抵抗の磁場に対する傾きを求めたものであり、傾きが０．１５１９７ｏｈｍ／Ｏｅであり、通常入手できる感度の良い抵抗測定器の感度で１×１０-9ｏｈｍ以下であることから、（１×１０-9ｏｈｍ）／（０．１５１９７ｏｈｍ／Ｏｅ）＜１×１０-8Ｏｅ、つまり1×１０-8Ｇａｕｓｓの精度で磁場を検知することができ、微弱な磁場の変化を観測できることを示している。
【００３９】
またジョセフソン磁束線１本は２．０７×１０-7Ｇａｕｓｓ・ｃｍ2に相当するため、その本数を計測することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、高磁場領域での微弱な磁場の変化の観測が可能であり、試料の磁化の変化を観測するための計測機器などのセンサーとして広く使用されることが期待できる高感度磁場センサーが提供される。また、この出願の発明の高感度磁場センサーを搭載した一般ユーザー向けの製品開発や、この出願の発明の高感度磁場センサーを利用した回路素子等の開発技術が活発となり、その周辺技術の開発が促進されるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例における高感度磁場センサーを例示した概略図である。
【図２】この発明の実施例における高感度磁場センサーを例示した写真及び概略図である。
【図３】この発明におけるジョセフソン磁束線フロー抵抗−磁場曲線を示したグラフである。
【符号の説明】
１  ビスマス２２１２系酸化物高温超伝導体単結晶
２  ジョセフソン接合部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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