(57)【要約】「縮小則」の限界を乗り越えるためにこれまで考案されてきた超伝導を応用した素子は、電流を仕切るために素子に用いられている誘電体材料の存在のため、実用化に至っていない。申請者は、電子の流れを誘電体障壁を用いずに制御するＳ−Ｎ−Ｓ接合を用いた３端子素子を提案した。この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数での動作が可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン交換相関の強い伝導体（Ａ層、Ｂ層）を交互に積層させた装置。
【請求項２】
Ａ層に端子を設けた装置。
【請求項３】
スピン交換相関の強い層（Ａ層、Ｂ層）は、超伝導体でもよい。
【請求項４】
Ｂ層は、スピン交換相関が弱くてもよい。
【請求項５】
Ａ層を、図３に示すとおり、順番にソース層、ゲート層、ドレイン層と名付け、ソース層とドレイン層の間のＢｒｏｃｈ共鳴を、ゲート層に印加する電流、または、電圧によって変調し、スイッチ動作を行う装置。
【請求項６】
項目５の装置を複数回、積層させた装置。
【請求項７】
Ａ層とＢ層の間には、別の金属の層を挿入できる。
【発明の詳細な説明】
概　　要
コンピュータ分野における情報処理量の膨張のため、コンピュータの心臓部にあたる中央演算装置（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｓｓｅｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ；ＣＰＵ）のオーダーレベルでの高速化に対する要請がある。ＣＰＵの高速化は、これまで、「縮小則」と呼ばれる行動原理にゆだねられ、素子の集積化によって行われてきた。しかし、この「縮小則」による高速化に限界が見え始めている。この問題を乗り越えるために超伝導を応用した素子が考案されてきたが、実用化に至っていない。これは、電流を仕切るために素子に用いられている誘電体材料の存在によるものと考えられる。もし、誘電体材料を用いないで電流を仕切ることができれば、超伝導材料を用いた超高速のスイッチング動作の問題が解決されると思われる。この申請書において、申請者は、誘電体障壁を用いない４端子スイッチング素子を提案する。
１．緒　言
Ｗ．Ｂ．Ｓｃｈｏｃｋｌｅｙ、Ｊ．Ｂａｒｄｅｅｎ、Ｗ．Ｈ．Ｂｒａｔｔａｉｎらが１９４８年にトランジスター効果を発見して以来、コンピュータに用いられている半導体素子は、世界を変貌させる概念を数々創り出してきた。データを処理する速度は、概念の変化の流れに合わせ、最高速であることを要求されてきた。電子デバイス分野においても、この「流れ」に追従するために、構成素子は、「縮小則」に基づき集積されてきた。「縮小則」とは、集積回路の基本要素である電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）を含む回路全体の、抵抗値と静電容量の積を小さくすることによって、高速でのスイッチングを可能にするという概念である。しかし、私たちは、現代社会の要請をこの「縮小則」によって乗り越えることができないことに気づき始めている。なぜなら、ＦＥＴのスイッチング動作は、ＦＥＴのゲート近傍のキャリアをバイアス電圧によって制御することによって行っているため、キャリアの移動度に依存してしまうのである。最近、Ｙ．Ｎｉｓｈｉは、２０１０年までの長期的なＣＰＵの動作周波数上昇の見通しをたてた。それによると、２０１０年においても、動作周波数は、１．１ｘ１０９Ｈｚまでであることが予言されている１。つまり、ＣＰＵの情報処理能力は、高々数倍になるだけである。このことは、巨大なソフ
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トウェアによって処理される莫大な量の情報処理量が、キャリアの移動度に依存していることを意味する。
一方、Ｂ．Ｄ．Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎによって提唱された超伝導素子は、高速で動作し、低消費電力であることが知られている２。しかし、Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ素子は、７ｘ１０８Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、カオス的な信号のゆらぎによる雑音が支配的となるため、高数波数領域での実用には供されてはいない。その上、トンネル障壁が存在することによる透過率の減少、信号の遅延、および、熱ひずみに対する機械的な脆さ、という性質を有している。Ｋ．Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ｇ．Ｂｅｄｎｏｒｚらによって発見された酸化物超伝導体３は、高温で動作する素子への応用が期待されていたが、未だにスイッチング素子として実用化されていない。数多くの試行にもかかわらず実用化されなかったのは、酸化物超伝導体自らが有する特性のためであった。この申請書では、金属超伝導体超格子を用いることによって、実用化へ向けての問題をすべて解決できることを示す。
２．誘電体材料を用いずに可干渉領域を仕切る方法について
酸化物超伝導体がＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子として実用化されなかった理由は２つある。第一に、結晶粒界などの整合性の低い界面が存在することによって、波動関数の位相が揺らいでしまうことがあげられる。第二に、このような整合性の低い界面では、波動関数の透過率が非常に小さいため、集積化の際に信号が極度に減衰しまう。
酸化物超伝導体の可干渉距離は、超伝導相転移温度（Ｔｃ）を上昇させるために極度に短く（〜０．１ｎｍ）設計されている４。しかし、そのためには、可干渉領域を誘電率の高いイオン性結晶で仕切らなくてはならない。その結果、結晶自身の誘電率が上昇し、伝導層の層間での波動関数の遅れが避けられない（図１ａ）。また、整合性の低い界面では、この遅れが均一でなくなってしまう（図１ｂ）。このような不均一性から素子の動的なインピーダンスが上昇してしまい５，６、透過率が下がってしまう。すなわち、酸化物超伝導体の問題点も、誘電率の存在に帰結できる。
超伝導現象の特性は、クーパーペアの波動関数の可干渉性で描写され、その可干渉性はスピン交換相関によって実現される。このことは、スピン交換相関が制御できれば電子の流れを操作することができることを意味している。そこで、スピン交換相関を人為的に制御している例として巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＧＭＲ）の発現機構を考察してみることとする。巨大磁気抵抗効果は、メゾスコピックな構造を有する金属系で発現することが報告されているが、外部磁気を印可すること
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によって電気抵抗が５０％も減少するというものである７。巨大磁気抵抗効果は、スピンまで記述された波動関数が隣り合う層の間で異なるとき、近藤効果８によって遍歴電子の遷移が制限されるために起こる。巨大磁気抵抗効果を示す系における、メゾスコピックな磁気秩序に関する報告９があるが、それによると、超格子周期の２倍の磁気秩序が存在することが中性子回折によって確認されている。
ここで強調しておきたいことは、メゾスコピックなスケールでの磁区構造が、超格子の周期を制御することによって発現することである。このことは、スピン交換相関という立場で、強く相関する超伝導層の積層周期を変化させることによって、誘電体を配置することなく、遍歴電子の遷移を制御していることを意味している。この示唆によって、誘電体を用いずにスイッチ動作する超格子を作成できるのである。
３．金属超伝導超格子を用いたスイッチング素子の可能性
超伝導金属−常伝導金属−超伝導金属（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ｍｅｔａｌ−Ｎｏｒｍａｌ　ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ｍｅｔａｌ；Ｓ−Ｎ−Ｓ）超格子においては、次元クロスオーバー現象が観察されている。Ｉ．Ｋ．Ｓｃｈｕｌｌｅｒらのグループが、Ｎｂ／Ｃｕ系の超格子における次元クロスオーバー現象の調査に関して先駆的な役割を演じている１０。その報告によると、Ｎｂ／Ｃｕ超格子の可干渉距離が、メゾスコピックな系でのみ異方性を有し、超格子周期を最適化することによって、超伝導層間での相関が極大化する。申請者は、かねてより、この層間の相関を利用して、スピンまで記述した波動関数を仕切ることを提案してきた。
最近、申請者らは、メゾスコピックな超格子周期を有するＮｂ／Ｃｕ超格子において、超伝導層ごとの反強磁性的磁気秩序が存在することを報告した１１。Ｎｂ、Ｃｕ、各層の層厚を１６．８ｎｍ、１４．７ｎｍに固定したＮｂ／Ｃｕ系の超伝導超格子の電気抵抗を測定したところ、抵抗異常が再現性よく観察された。この抵抗異常が、層間の相関が極大になったときのみに出現することを考えると、メゾスコピックなスケールで、電子バンドの反強磁性的秩序が実現されていること、また、抵抗異常が近藤効果による遍歴電子の挙動によることを導いた（図２）。
もし、超伝導の系において反強磁性的磁気秩序が形成されているとすると、超伝導現象とＧＭＲのアナロジーが結論付けられる。前述したとおり、ＧＭＲを示す系においては、電子の流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができる。それゆえ、
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Ｓ−Ｎ−Ｓ接合においてもクーパーペアの流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができると考えられる。
４．提案している４端子素子
図３に４端子スイッチング素子の概要を図解したものを示す。層間での電子の遷移は、スピンの記述まで含めた波動関数が一致したときのみ支配的となり、となりの層への遷移は、反強磁性的なスピン配列のために制限されることになる（図３ａ）。この哲学に基づき、ソース層、ゲート層、ドレイン層を有した４端子素子が、申請者のひとり（Ｋ．Ｔｓｕｋｕｉ）によって提案されてきた（図３ｂ）。スイッチング動作の動作原理は、Ｂｒｏｃｈ共鳴の変調１２，１３と、Ｂｒｏｃｈ共鳴における電子輸送の非線形性による。図４に描写したとおり、超伝導層における異なったスピンを有する占有軌道は、半導体超格子と同様に、常伝導層によって仕切られている。超格子内部のＣｏｏｐｅｒ　Ｐａｉｒは、共鳴状態にあり、その共鳴状態は、ゲートの操作や外部から導入されるシングルイベントによって変調を受ける。Ｂｒｏｃｈ共鳴が変調される結果、ソース−ドレイン間の電圧は、超格子の非線形輸送によって多値化される１４。その現象は、半導体超格子と同一のものであるが、超格子におけるトンネル障壁の取り扱いが異なる。
Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子の場合、遍歴電子は、常磁性金属中を伝播する。しかし、ある超伝導層から、となりの超伝導層への低温での遷移は、近藤効果によって、制限される。遍歴電子による電気抵抗の値（ρ↑）は、次の式によって決定される８。
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電気抵抗の値は、温度と常伝導金属のフェルミ準位における電子密度（ＮＰａｒａ（εＦ））の関数となる。その結果、１００Ｋ以下での遍歴電子の遷移確率は、著しく低下し、挿入されている常磁性金属は、絶縁体障壁と同様の働きをする。この働きは、半導体超格子のバンドギャップとも同様である。この「トンネル障壁効果」は、スピン交換相関の強い層の電子と、その間に挿入された常磁性金属中の電子の角運動量量子数が異なる場合に起こる現象として、認知されている１５。結論として、この４端子素子は、Ｂｒｏｃｈ共鳴によって、超伝導電流を維持したまま動作するため、動作周波数の上限は、これ
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までのＲＣ−ｔｙｐｅのＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子の動作周波数がギャップエネルギーによって決定されるのとは異なる。
さらに、素子の単位胞を、超格子のように、ソース層（Ｓ）／ゲート層（Ｇ）／ドレイン層（Ｄ）／Ｇ／Ｓ／Ｇ／Ｄ／Ｇ…、という順序で積層させるため、ソース層からドレイン層への相関は、等比級数的に１に近づく。誘電体障壁を有するＪｏｓｅｐｈｓｏｎ接合では、カオス的な雑音、波動関数のゆらぎ、透過率の低さ、機械的な脆さなどに悩まされていたが、提案した素子は、金属しか用いておらず、超伝導素子の実用化に向けてのすべての問題を解決したことになる。また、この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数での動作が可能である。動作周波数の上限は、金属のプラズモン損失（Ｃｕの場合１０３ｅＶのオーダー）を考慮すると、１０１８Ｈｚに及ぶことが期待される。仮に、そのような高周波での動作が可能であるならば、電気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換すること、また、その逆の変換、高エネルギー粒子の検出が可能になると考えられる。
５．結　論
この申請書では、ＣＰＵをより高速で動作させるために、縮小則に基づく集積化に依らない方法があることについて論じてきた。超伝導体を用いて、超高周波数で動作するスイッチング素子を作製するためには、接合に寄生する静電容量（電子分極）を取り除かなくてはならない。そのような素子の一例として、申請者は、電子の流れを誘電体障壁を用いずに制御するＳ−Ｎ−Ｓ接合を用いた４端子素子を提案した。
６．謝　辞
申請者は、京都大学の新宮秀夫教授と石原慶一助教授に深く感謝の意を表します。ＧＭＲと超伝導現象が酷似しているという観点は、先生方との議論の中で成熟しました。薄膜作成に関するご指導を頂きました金属材料技術研究所の矢田雅則博士に心より感謝いたします。低温での実験環境を与えてくださった早稲田大学理工学部の大泊巖先生、大坂敏明先生に心より感謝いたします。低温工学のお立場から、低温における実験のご指導を頂きましたダイキン工業機械技術研究所の八木信昭氏に心より感謝いたします。また、申請者は、金属材料技術研究所、工業技術院電子技術総合研究所、工業技術院機械技術研究所、早稲田大学、京都大学にいらっしゃる先生方との実り多い議論に深く感謝の意を表します。特許化に関しまして、多くのご助言をいただきました、大塚国際特許事務所の大塚康徳先生に深く感謝いたします。また、最後に、申請者のひとり（Ｋ．Ｔｓｕｋｕｉ）は、桜ヶ丘記念病院の古茶大樹先生の研究生活全般に関する親身なご指導に深く感謝いたします。
【図面の簡単な説明】
図１　酸化物超伝導体の内部における電子分極が伝導シート間の波動関数の伝播に及ぼす影響（ａ）。酸化物超伝導体を用いたＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子の場合、１０４Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、熱雑音が支配的となる６。Ｋ．Ｋ．Ｌｉｋｈａｒｅｖの報告５によると、そのような熱雑音は、高周波領域での動的なインピーダンスが上昇するためであるとされている。つまり、ペロブスカイト構造の結晶には、大きな電子分極が存在することになる。波動関数は、それらの電子分極の存在によって、伝播の際に遅れを生じてしまう。図１ｂには、整合性の低い界面の近傍で、波動関数の遅れにゆらぎが生じることを説明した図を示す。波動関数の遅れによって、界面近傍の秩序パラメータは小さくなり、必然的に波動関数は弱結合となる。
図２．抵抗測定の実験１１の結論として得られた、メゾスコピックな構造を有する超伝導体における、層ごとの反強磁性的スピン秩序。各々の層における電子状態は、非経験的分子軌道法であるＤＶ−Ｘα法１６によって計算された。同時に提案された「Ｃｏｏｐｅｒペアの熱的安定機構」１１によってスピンのゆらぎは、ノーマルな電子状態と独立して考えることができる。そのため、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。となりの層のスピン方向は、交換相関パラメーターの関数によって表される全エネルギーを下げるために反対になる。もし、このような反強磁性的磁気秩序が超伝導体に存在するとすると、電子の流れは、誘電体を用いなくとも仕切ることができる。
図３．４端子スイッチング素子の概略図と、その動作原理。スピンまで含めた波動関数が一致する層の間での遷移は優先的になる（ａ）。近藤効果８の結果、となりの層への遷移は制限される。４端子素子の単位胞は、ソース層、ゲート層、ドレイン層からなる（ｂ）。スイッチのＯＦＦ動作は、素子内に存在するＢｒｏｃｈ共鳴が、ゲート層の電子状態か、外部環境からのシングルイベントによって変調されることによって行われる。また、超伝導現象とＧＭＲがアナロジーであることを考慮すると、電子の流れは誘電体を用いなくとも仕切ることができる。すなわち、スピン交換相関作用の強い層を積層すれば、この素子を作成することが可能であることがわかる。
図４．提案された４端子素子の単位胞内部でのエネルギーバンドの概略図。前述しているとおり、スピンのゆらぎは、「Ｃｏｏｐｅｒペアの熱的安定機構」１１によって、ノーマ
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ルな電子状態と独立して考えることができる。そのため、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。超伝導層内部の電子状態は、メゾスコピックなスケールで反強磁性的に配列し、常伝導金属によって仕切られている。近藤効果、または、「トンネル障壁効果」の結果として、半導体超格子と同様のＢｒｏｃｈ共鳴状態が確立されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【１９条補正書（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成13年3月7日(2001.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（補正後）超伝導体（Ａ層）、常磁性常伝導体（Ｂ層）を交互に積層させたスイッチ装置。
【請求項２】
（補正後）Ａ層のみに端子を設けたスイッチ装置。
【請求項３】
（補正後）Ｂ層の常磁性常伝導体の代わりに、超伝導体を用いることもできる。
【請求項４】
削除
【請求項５】
Ａ層を、図３に示すとおり、順番にソース層、ゲート層、ドレイン層と名付け、ソース層とドレイン層の間のＢｒｏｃｈ共鳴を、ゲート層に印加する電流、または、電圧によって変調し、スイッチ動作を行う装置。
【請求項６】
項目５の装置を複数回、積層させた装置。
【請求項７】
Ａ層とＢ層の間に、別の金属の層を挿入できる。
【手続補正書】
【提出日】平成13年12月10日(2001.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体／常伝導体／超伝導体超格子に、４端子を設けた超伝導素子。この超格子の周期は、次元クロスオーバー現象によって、一義的に決定される。ちなみに、ニオビウム／銅系超格子では、ニオビウムの膜厚は、１６．８ｎｍ、銅の膜厚は、１４．７ｎｍとなる。この超格子を用いた素子は、超伝導層にソース端子を設けた層（ソース層）、超伝導層にゲート端子を設けた層（ゲート層）、超伝導層にドレイン端子を設けた層（ドレイン層）とその間の常伝導層から構成され、ソース層、ゲート層、ドレイン層が常伝導層を介して積層される。スイッチング動作は、超格子内部のＢｌｏｃｈ共鳴を、ゲート層の電子状態か、外部環境からのシングルイベントによって変調されることによって行われる。また、Ｂｌｏｃｈ共鳴における電子輸送の非線形性によって、ソース−ドレイン間の電圧は、多値化される。誘電体障壁を用いず、次元クロスオーバー現象によって、層厚が決定された超伝導体／常伝導体／超伝導体超格子に端子を設け、Ｂｌｏｃｈ共鳴を変調することによって、スイッチング動作する点が特徴の超伝導４端子素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子においてもクーパーペアの流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができると考えられる。
４．提案している４端子素子
図３に４端子スイッチング素子の概要を図解したものを示す。層間での電子の遷移は、スピンの記述まで含めた波動関数が一致したときのみ支配的となり、となりの層への遷移は、反強磁性的なスピン配列のために制限されることになる（図３ａ）。この哲学に基づき、ソース層、ゲート層、ドレイン層を有した４端子素子が、申請者によって提案されてきた（図３）。スイッチング動作の動作原理は、Ｂｌｏｃｈ共鳴の変調１２，１３と、Ｂｌｏｃｈ共鳴における電子輸送の非線形性による。図４に描写したとおり、超伝導層における異なったスピンを有する占有軌道は、半導体超格子と同様に、常伝導層によって仕切られている。超格子内部のＣｏｏｐｅｒ　Ｐａｉｒは、共鳴状態にあり、その共鳴状態は、ゲートの操作や外部から導入されるシングルイベントによって変調を受ける。Ｂｌｏｃｈ共鳴が変調される結果、ソース−ドレイン間の電圧は、超格子の非線形輸送によって多値化される１４。その現象は、半導体超格子と同一のものであるが、超格子におけるトンネル障壁の取り扱いが異なる。
Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子の場合、遍歴電子は、常磁性金属中を伝播する。しかし、ある超伝導層から、となりの超伝導層への低温での遷移は、近藤効果によって、制限される。遍歴電子による電気抵抗の値（ρ↑）は、次の式によって決定される８。
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電気抵抗の値は、温度と常伝導金属のフェルミ準位における電子密度（ＮＰａｒａ（εＦ））の関数となる。その結果、１００Ｋ以下での遍歴電子の遷移確率は、著しく低下し、挿入されている常磁性金属は、絶縁体障壁と同様の働きをする。この働きは、半導体超格子のバンドギャップとも同様である。この「トンネル障壁効果」は、スピン交換相関の強い層の電子と、その間に挿入された常磁性金属中の電子の角運動量量子数が異なる場合に起こる現象として、認知されている１５。結論として、この４端子素子は、Ｂｌｏｃｈ共鳴によって、超伝導電流を維持したまま動作するため、動作周波数の上限は、これ
１２　Ｌ．Ｅｓａｋｉ　ａｎｄ　Ｒ．Ｔｓｕ，ＩＢＭ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｎｏｔｅ，ＲＣ−２４１８（１９６９）
Ｌ．Ｅｓａｋｉ　ａｎｄ　Ｒ．Ｔｓｕ，ＩＢＭ　Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．，１４（１９７０）６１
１３　Ｌ．Ｅｓａｋｉ，Ｐｈｙｓｉｃａ　Ｓｃｒｉｐｔａ，Ｔ４２（１９９２）１０３
１４　Ｋ．Ｆ．Ｒｅｎｋ，Ｅ．Ｓｃｈｏｍｂｕｒｇ，Ａ．Ａ．Ｉｇｎａｔｏｖ，Ｊ．Ｇｒｅｎｚｅｒ，Ｓ．Ｗｉｎｎｅｒｌ，Ｋ．Ｈｏｆｂｅｃｋ，Ｐｈｙｓｉｃａ，Ｂ２４４（１９９８）１９６
１５　Ｌ．Ｉ．Ｓｃｈｉｆｆ，“Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ”（Ｓｅｃｏｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ），ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ（１９５５）


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
までのＲＣ−ｔｙｐｅのＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子の動作周波数がギャップエネルギーによって決定されるのとは異なる。
さらに、素子の単位胞を、超格子のように、ソース層（Ｓ）／ゲート層（Ｇ）／ドレイン層（Ｄ）／Ｇ／Ｓ／Ｇ／Ｄ／Ｇ…、という順序で積層させるため、ソース層からドレイン層への相関は、等比級数的に１に近づく。誘電体障壁を有するＪｏｓｅｐｈｓｏｎ接合では、カオス的な雑音、波動関数のゆらぎ、透過率の低さ、機械的な脆さなどに悩まされていたが、提案した素子は、金属しか用いておらず、超伝導素子の実用化に向けてのすべての問題を解決したことになる。また、この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数での動作が可能である。動作周波数の上限は、金属のプラズモン損失（Ｃｕの場合１０３ｅＶのオーダー）を考慮すると、１０１８Ｈｚに及ぶことが期待される。仮に、そのような高周波での動作が可能であるならば、電気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換すること、また、その逆の変換、高エネルギー粒子の検出が可能になると考えられる。
５．結　論
この申請書では、ＣＰＵをより高速で動作させるために、縮小則に基づく集積化に依らない方法があることについて論じてきた。超伝導体を用いて、超高周波数で動作するスイッチング素子を作製するためには、接合に寄生する静電容量（電子分極）を取り除かなくてはならない。そのような素子の一例として、申請者は、電子の流れを誘電体障壁を用いずに制御するＳ−Ｎ−Ｓ超格子を用いた４端子素子を提案した。
６．謝　辞
申請者は、京都大学の新宮秀夫教授と石原慶一助教授に深く感謝の意を表します。ＧＭＲと超伝導現象が酷似しているという観点は、先生方との議論の中で成熟しました。薄膜作成に関するご指導を頂きました金属材料技術研究所の矢田雅則博士に心より感謝いたします。低温での実験環境を与えてくださった早稲田大学理工学部の大泊巖先生、大坂敏明先生に心より感謝いたします。低温工学のお立場から、低温における実験のご指導を頂きましたダイキン工業機械技術研究所の八木信昭氏に心より感謝いたします。また、申請者は、金属材料技術研究所、工業技術院電子技術総合研究所、工業技術院機械技術研究所、早稲田大学、京都大学にいらっしゃる先生方との実り多い議論に深く感謝の意を表します。また、最後に、申請者は、桜ヶ丘記念病院の古茶大樹先生の研究生活全般に関する親身なご指導に深く感謝いたします。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
図面の簡単な説明
図１　酸化物超伝導体の内部における電子分極が伝導シート間の波動関数の伝播に及ぼす影響（ａ）。酸化物超伝導体を用いたＪｏｓｅｐｈｓｏｎ素子の場合、１０４Ｈｚ以上のスイッチング周波数において、熱雑音が支配的となる６。Ｋ．Ｋ．Ｌｉｋｈａｒｅｖの報告５によると、そのような熱雑音は、高周波領域での動的なインピーダンスが上昇するためであるとされている。つまり、ペロブスカイト構造の結晶には、大きな電子分極が存在することになる。波動関数は、それらの電子分極の存在によって、伝播の際に遅れを生じてしまう。図１ｂには、整合性の低い界面の近傍で、波動関数の遅れにゆらぎが生じることを説明した図を示す。波動関数の遅れによって、界面近傍の秩序パラメータは小さくなり、必然的に波動関数は弱結合となる。
図２．抵抗測定の実験１１の結論として得られた、メゾスコピックな構造を有する超伝導体における、層ごとの反強磁性的スピン秩序。各々の層における電子状態は、非経験的分子軌道法であるＤＶ−Ｘα法１６によって計算された。同時に提案された「Ｃｏｏｐｅｒペアの熱的安定機構」１１によってスピンのゆらぎは、ノーマルな電子状態と独立して考えることができる。そのため、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。となりの層のスピン方向は、交換相関パラメーターの関数によって表される全エネルギーを下げるために反対になる。もし、このような反強磁性的磁気秩序が超伝導体に存在するとすると、電子の流れは、誘電体を用いなくとも仕切ることができる。
図３．４端子素子の単位胞（ａ）は、ソース層、ゲート層、ドレイン層からなる。スピンまで含めた波動関数が一致する層の間での遷移は優先的になる。近藤効果８の結果、となりの層への遷移は制限される。４端子スイッチング素子の概略図（ｂ）。Ｓ−Ｎ−Ｓ超格子の各層に、ソース端子、ゲート端子、ドレイン端子が、設けられている。スイッチのＯＦＦ動作は、素子内に存在するＢｌｏｃｈ共鳴が、ゲート層の電子状態か、外部環境からのシングルイベントによって変調されることによって行われる。また、超伝導現象とＧＭＲがアナロジーであることを考慮すると、電子の流れは誘電体を用いなくとも仕切ることができる。すなわち、スピン交換相関作用の強い層を積層すれば、この素子を作成することが可能であることがわかる。
図４．提案された４端子素子の単位胞内部でのエネルギーバンドの概略図。前述して
１６Ｈ．Ａｄａｃｈｉ，Ｍ．Ｔｓｕｋａｄａ　ａｎｄ　Ｃ．Ｓａｔｏｋｏ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．，４５（１９７８）８７５


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
いるとおり、スピンのゆらぎは、「Ｃｏｏｐｅｒペアの熱的安定機構」１１によって、ノーマルな電子状態と独立して考えることができる。そのため、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写することが可能となる。超伝導層内部の電子状態は、メゾスコピックなスケールで反強磁性的に配列し、常伝導金属によって仕切られている。近藤効果、または、「トンネル障壁効果」の結果として、半導体超格子と同様のＢｌｏｃｈ共鳴状態が確立されている。


【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】第３図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2002041412.tif 000030
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】第４図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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【国際調査報告】
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2002041412.tif 000033
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