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一般社団法人 未踏科学技術協会 超伝導科学技術研究会

発 行

FSST NEWS
Forum of Superconductivity
Science and Technology News

2012-5-15

No.

133

一般社団法人未踏科学技術協会
平成 24 年 5 月 15 日発行〒105-0003
東京都港区西新橋 1-5-10
新橋アマノビル 6 階
T e l : 03-3503-4681
F ax : 0 3 - 3 5 9 7 - 0 5 3 5
Email: fsst@sntt.or.jp＜FSST NEWS No.133 目次＞＜トピックス 1＞
地下資源探査用高温超電導 SQUID 磁力計の開発
国際超電導産業技術研究センター＜トピックス 2＞
トポロジカル超伝導とマヨラナ粒子
大阪大学＜トピックス 3＞
MBE 法による鉄系超伝導薄膜作製とその薄膜の特徴
東京農工大学＜会議報告 1＞
第 78 回ワークショップ「再生可能エネルギー導入へ向けた超伝導・低温技術」
日立製作所＜会議報告 2＞
第 38 回シンポジウム会議報告
古河電気工業＜会議報告 3＞
応物田中先生追悼シンポジウム報告
国際超電導産業技術研究センター＜会議報告 4＞電子情報通信学会 2012 年総合大会チュートリアルセッション「発見から 50 年！ジョセフソン効果のインパクト」報告
産業技術総合研究所＜授賞発表＞「第 16 回超伝導科学技術賞」発表

審査委員会委員長＜研究室紹介＞(1) 東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 小形正男研究室(2) 中部電力株式会社 電力技術研究所 超電導プロジェクト(3) 山形大学大学院理工学研究科 大嶋・齊藤研究室(4) 九州大学 木須研究室(5) 京都大学 雨宮研究室○第 79 回ワークショップ○研究会の動き○国内超伝導関連会議／国際会議及び国外の主要な会議-1-

波頭 経裕 ················ 2
安藤 陽一·················6
上田 真也·················9

和久田 毅··············· 17
木村 昭夫··············· 18
田辺 圭一··············· 19

前澤 正明··············· 20

太刀川 恭治·············· 22··············· 24··············· 25··············· 26··············· 28··············· 30··············· 32··············· 33··············· 34

超伝導科学技術研究会

生した一次磁場によって地中に誘導電流が発生するが、この電流が生じさせる二次磁場がさらに誘導電流を地中に拡散させていく。この二次磁場の時間変化を測定することによって、地下の比抵抗構造を推定することができる。今回の開発では、地質にもよるが、地下1000 m程度までの深部探査が可能となる高温超電導SQUID
磁力計の開発を目指した。

＜トピックス 1＞
地下資源探査用高温超電導 SQUID 磁力計の開発
Development of HTS-SQUID magnetometersystem for exploration of earth resources
超電導工学研究所
波頭 経裕，塚本 晃，安達 成司，
押久保 靖夫, 田辺 圭一
Superconductivity Research Laboratory, ISTEC
T. Hato, A. Tsukamoto, S. Adachi
Y. Oshikubo and K. Tanabe
1. はじめに
地下資源の探査は、衛星や航空機からのリモートセンシング、地上での物理探査（振動や電磁探査）、ボーリング調査という具合に絞り込んでいく。ボーリングには多額の経費がかかるため、事前の物理探査をより高精度に行うことが求められている。物理探査の手法の一つが電磁探査で、中でも人工的に加えた電磁場に対する
時 間 的 変 化 を 受 信 し て 解 析 す る 方 法 が TEM 法（Transient Electromagnetic ） ま た は TDEM 法 （TimeDomain EM） と言われる [1]。
SQUIDを用いた物理探査は、探査深度の向上を目
指し、ドイツやオーストラリアなど、海外で盛んに研究開発されており [2-6]、日本では、JOGMEC （石油天然ガ
ス・金属鉱物資源機構）が平成13年から高温超電導
SQUIDを用いた電磁探査装置 （SQUITEM）の開発を進め、金属資源探査に活用してきた [7], [8]。従来の誘導コイル型磁力計を用いた磁場時間微分値を計る方法と比較して、磁場値での測定は時間減衰が遅く、遅い
時間まで測定できるため、より深い深度の測定に向いている。また、磁気センサとしてSQUIDは、100 kHzにおよぶ周波数帯域に加え、30 fT/ Hz 以下の低いノイズレ
ベルを有し、深い金属鉱床の探査に有用と期待されている。
超電導工学研究所（SRL）では、高温超電導デジタ
ル回路の研究過程で培った、ランプエッジ型接合を中心とする高度な多層構造作製プロセス技術を活かし[9-11]、高性能な高温超電導SQUIDおよびシステムを製作した経験を持つ [12], [13]。そこで JOGMEC の要請に従い、さらに深部の探査が可能で、かつ精度の高い
次世代 TEM測定システムの開発を行うこととなった。
図 1 にTEM 法の原理説明図を示す。地表に設置したループコイルに矩形波電流を繰り返し流す。ここで発FSST NEWS No.133

図1. TEM 法の原理説明図

2. 開発のポイント
開発のポイントをまとめると、次の 5 つになる。図 2 にTEM 受信波形を模式的に表し、そのポイントを説明する。

図2. TEM 応答波形と開発課題（1）野外での安定動作
本装置の第一の課題は、野外で磁気シールドなしに使用するということである。一般に、高感度なSQUID を
シールドレスで使用するためには、素子の特性が安定に保たれることと磁場の変化に追従することが鍵となる。
後者は次項で説明する。SQUID の素子特性を不安定にする重大要因の一つは RFノイズの侵入である。RFノイズによりジョセフソン接合の Ic は小さくなり、SQUID 特
性が変化する。これが動作を不安定にする。そのため厳重にRFノイズの侵入を防ぐシールドを施したいが、-2-

TEMシステムの RF シールドには特別な工夫が必要となる。なぜなら、急峻な磁場変化の中で使用するため、装置へのエディー電流（渦電流）の発生を抑制する必要があり、アルミフォイルで何重にもシールドを施すようなわけにはいかない。RF シールド性能とエディー電流の抑制の両立が求められる。そこで、我々はあえて磁性材料を含有するが高周波において高シールド性能で、かつエディー電流の減衰時間の短い材料を選択した。
また、地磁気（〜50 μT）で冷却するため、磁束トラップに強い素子構造が求められる。我々は、ランプエッジ接合を使用した。ランプエッジ接合は一層の超電導層から構成されるバイクリスタル型と比較すると、5 桁程度トラッ
プを起こす磁場が強いことが報告されている [14]。図 3にランプエッジ接合を用いたSQUID の断面構造を示す。
接合部が上部電極に覆われる構造となっているのが特徴で、この構造がトラップしにくい原因となっている可能性がある。電極にはイットリウム系超電導体の中でも比較的Tcの高い、SmBaCuO とLaErBaCuO を用いている。
接合のTc は87 Kで、77 Kでの安定した動作を実現している。また、地磁気中で冷却するため、その過程で磁束がSQUID周辺にトラップされないよう5 μm以下のライン
幅で構成されている。

（2）高スルーレート
次に、急峻な磁場の変化に追従する性能指標としてスルーレートが挙げられる。図 2 中、②に相当する課題である。送信機からの磁場印加を遮断した瞬間、磁場は急激に減少する。大きな磁場印加と急激な遮断がより深い探査を可能にするため、スルーレートの向上は重要である。地質の比抵抗が高ければ二次磁場はより急峻に変化する。例えばニッケル鉱床のあるボツワナのよ
うな比抵抗の高い地層を有する地域（数千〜数万 Ωm）
での資源探査には、より高いスルーレートが必要となる。
このスルーレートの向上は、いかに素早く安定にSQUID
を動作点にフィードバックをかけるかということである。そのため、FLL（Flux Locked Loop）回路の高速性、信号配 線 の 低 ノ イ ズ 化 と 高 速 性 、 SQUID の 安 定 動 作 、
SQUID 素子とFLL回路定数のマッチングなどが重要である。回路定数の最適化を含め、システム全体の最適化設計により、スルーレートは向上した。
図 5 は比抵抗の高い神岡鉱山（数千 Ωm）で計測したTEM 測定の一部で、最大スルーレート10.5 mT/sを達成した。

図3. ランプエッジ接合を用いたSQUIDの断面構造

図4 にSQUID チップの写真と実装封止されたパッケージの写真を示す。円で囲んだ部分にSQUID があり、チップの周囲を検出コイルが取り囲む構造をしている。
このチップをプリント基板からなるチップキャリアに固定
し、ボンディングワイヤで配線するが、野外でも簡単に素子交換ができるよう、密閉保護され、内蔵されたヒーターで必要なときには磁束トラップの解除ができるようになっている。

図5. TEM応答によるスルーレートの測定

その結果、より深い探査に必要とされるより強い磁場の印可も可能となった。従来は、一辺100 m以上の正方形ループに電流 1 アンペア程度を流して計測を行っていたので、中心磁場は11.3 nTppに相当した。これが 858
nTpp、100 mループで40アンペアの印加が可能となった。
従来機器の約 1 mT/sおよび資源探査上切望された8mT/s を上回る結果で深部探査が期待される。
（3）エディー電流の抑制
エディー電流は慎重に検討する必要があった。それは、地中だけでなく、計測器自体にもエディー電流が流れ、そこで発生した磁場が計測データに重畳するためである。図 2 の③に示したように、地質の比抵抗が低く、

図4. SQUIDチップと実装封止されたパッケージ-3-

超伝導科学技術研究会

SQUID の高感度性は野外でも十分に有用である。図 7に野外でのノイズ測定結果を示す。従来機に従来のSQUID を搭載した場合、従来機にSRL 製のランプエッジ型接合を用いたSQUID を搭載した場合、そして新型3 号機にSRL 製のSQUID を搭載した場合を比較した。
素子を変えただけでもノイズレベルは低減しているが、システム全体でさらにノイズレベルが低減している様子がわかる。ホワイトノイズは30 fT/ Hz 程度が実現できているが、再現性には課題もある。SQUID 素子のノイズの原因については、未だわからないことが多く、今後も設計やプロセスの検討が必要である。

磁場の変化がゆっくりとした場合には見えず、比抵抗の高いところで計測データに影響を与える可能性がある。
図 6 は、FLL 回路を実装するアルミボックスに誘起された
エディー電流が、TEM測定に影響を与えた例である。

図6. システム構成部品のエディー電流のTEM 測定への影響（実測）

一般にFLL 回路はアルミボックスに収納されているが、今回、比抵抗の高いところで大電流を流して計測できるようになったことで、その影響が明らかとなった。比抵抗の高い神岡鉱山での測定では、たとえFLL ボックスを1m 磁力計から離してもその影響を完全に消すことは出来ず、スルーレートの向上とともにエディー電流の影響をより配慮した設計が必要であることが明らかとなった。
これは、探査において、本来なら比抵抗が高い地層と見なされるべきところに、特異的に比抵抗が低い部分が存在するがごとく現れ、より深く探査するために印加する電流を大きくするほど顕著になり、地下構造の解析を誤る原因となりかねないからである。そこで、システムを構成する各々の部品に発生するエディー電流による計
測磁場への影響を、実測と計算で検討を繰り返し、計測に影響しうるエディー電流の減衰時間が十分に短い
10-6 s 台以下になるようシステムを設計した。従来機についてもエディー電流の減衰時間を計算で求めたところ、FLL 回路ボックスが10-4s 台の減衰時間を要し、これは比抵抗の低い地域では影響がないものの、比抵抗の高い地域では影響が出ることが計算からも裏付けられた。
（4）ノイズの低減
図 2 中、④に示すように、低ノイズ化は、より深部の測定に重要である。野外の計測のため、多くの磁場信号が混在するが、地磁気は短時間では一定と見なせること、商用周波数に同期させて積算平均処理を数百から数千回行うことによって環境ノイズを消去できることから、
FSST NEWS No.133-4-

図7. 従来機とのノイズ比較（5）携行性の改善
野外で移動しながら測定を繰り返すTEM測定において、携行性は重要である。図 8 に、磁力計（液体窒素
デュワ、プローブ、FLL 回路、ケーブル類）を収納したケースと、受信機および制御システムを搭載したケースの写真を示す。我々が開発を担当したのは左の磁力計部である。収納したケースの重量はそれぞれ15 kg と10.6 kgで、一人で十分に運搬できる大きさである。

図8. SQUID-TEMシステムの携行型パッケージ

R. A. Binks, G. B. Donaldson, J. Du, S. K. Lam,
P. W. Schmidt, and D. A. Clark: IEEE Trans. Appl.
Supercond. 11 (2001) 1375-1378.
[6] H. –J. Krause, G. I. Panaitov, Y. Zhang, and
M. Bick: IEEE Trans. Appl. Supercond. 15 (2005)
745-748.
[7] T. Nagaishi, H. Ota, E. Arai, T. Hayashi, and
H. Itozaki: IEEE Trans. Appl. Supercond. 15(2005) 749-752.
[8] 荒井英一：超電導 Web21 (2009)http://www.istec.or.jp/web21/pdf/11_08/200908J1.pdf[9] S. Adachi, K. Hata, T. Sugano, H. Wakana, T. Hato,
Y. Tarutani, and K. Tanabe: Physica C 468 (2008)
1936-1941.
[10] K. Tanabe, H. Wakana, K. Tsubone, Y. Tarutani,
S. Adachi, Y. Ishimaru, M. Maruyama, T. Hato,
A. Yoshida, and H. Suzuki: IEICE Trans. Electron.
E91-C No. 3 (2008) 280-292.
[11] T. Hato, H. Wakana, S. Adachi, M. Maruyama,
H. Suzuki, and K. Tanabe: Physica C 463-465(2007) 956-960.
[12] T. Hato, S. Adachi, H. Wakana, K. Hata, Y. Tarutani,
T. Machi, and K. Tanabe: IEEE Trans. Appl.
Supercond. 19 (2009) 804-807.
[13] T. Hato, S. Adachi, Y. Sutoh, K. Hata, Y. Oshikubo,
T. Machi, and K. Tanabe: Physica C 469 (2009)
1630-1633.
[14] Y. Hatsukade, K. Hayashi, Y. Shinyama,
Y. Kobayashi, S. Adachi, K. Tanabe, and S.
Tanaka: Physica C 471 (2011) 1228-1233.

今回のシステムでは、本体を小型化するのみならず、
液化窒素の保持能力の向上、真空断熱層のメンテナン
スフリー化、防塵防水性、コンパクトなパッケージへの収納を心がけた。従来機の液体窒素デュワが 3.5 kg で、しばしば真空層を真空ポンプでメンテナンスする必要があったのに対し、3 号機では2.5 kgで、1 Lの液体窒素を静置状態で17時間保持する断熱性能を有する。移動を繰り返しても 8 時間の保持は可能で、一日の測定作業
を、液体窒素を補充すること無く行える。真空断熱層の真空をメンテナンスする必要がないように設計しており、真空ポンプセットを携行する必要が無い。つまり、「冷却する」というストレスを極力排除した構成とした。
3. むすび
地下資源探査用のSQUID-TEM 磁力計の最新の開発状況について紹介した。SQUID の高感度性や周波数帯域の広さが、高温超電導の取り扱いに優れた冷却によって活かされた一例である。デジタル回路の設計製作で培われた高度なプロセス技術、高温超電導システ
ム開発で培われた実装およびシールド技術、これらが融合してはじめて高性能な実用機が誕生しようとしている。耐磁場性能、スルーレート、ノイズ特性、携行性やメ
ンテナンス性など、従来機から大きく改善された。今後、国内での最終試験を終えた後、海外の資源地帯で地下資源探査の実用機としての性能試験に入る予定である。
このシステムが、地上からより深い地下構造の情報を得ることを可能にし、資源権益確保の一躍を担うことを願う。今回の開発が超電導システム実用機の一つの突破口となることを期待している。
参考文献[1] 後藤忠徳, 三ケ田均：地学雑誌, 117(6) (2008)
997-1010.
[2] M. Bick, G. Panaitov, N. Wolters, Y. Zhang,
H. Bousack, and A. I. Braginski: IEEE Trans. Appl.
Supercond. 9 (1999) 3780-3785.
[3] C. P. Foley, K. E. Leslie, R. Binks, C. Lewis,
W. Murry, G. J. Sloggett, S. Lam, B. Sankrithyan,
N. Savvides, A. Katzaros, K. –H. Muller,
E. E. Mitchell, and J. Pollock: IEEE Trans. Appl.
Supercond. 9 (1999) 3786-3792.
[4] V. Zakosarenko, A. Chwala, J. Ramos, R. Stolz,
V. Schultze, H. Lutjen, J. Blume, T. Schuler, and
H. –G. Meyer: IEEE Trans. Appl. Supercond. 11(2001) 896-899.
[5] C. P. Foley, D. L. Tilbrook, K. E. Leslie,-5-

超伝導科学技術研究会

＜トピックス 2＞
トポロジカル超伝導とマヨラナ粒子
Topological Superconductivity and Majorana
Fermions
大阪大学産業科学研究所
安藤 陽一
Institute of Scientific and Industrial Research,
Osaka University
Y. Ando
本稿では、トポロジカル超伝導体に関するわかりやす
い解説を行うことを試みる。まず、超伝導体が「トポロジカル」とはどういうことだろうか？ 中学の数学では、1次関数は「直線」に、2 次関数は「放物線」に対応することを学ぶ。これと同様に、数学的な関数は必ずそれに対応する「形」を持つ。現代物理学の基礎である量子力学
においては、物質の状態は波動関数と呼ばれる数学的な関数によって記述されるので、やはりその関数に対応する形を考えることができる。この関数と「形」の対応関
係が、超伝導がトポロジーとつながる所以である。
例えばメビウスの環が普通でないトポロジーを持っているように、波動関数に対応する「形」が普通でないもの
を一般にトポロジカルな量子状態と呼ぶ*。従って、トポ
ロジカル超伝導体とは、超伝導状態を記述する波動関数が普通でない「形」に対応するような超伝導体である。
固体物理学の分野で最近、このようなトポロジカルな量子状態に関する研究が急速に発展してきたが、そのきっかけとして、3 つのことが挙げられる。最初のきっか
けは、量子ホール効果を示す 2 次元半導体中の電子状態を記述する波動関数が、チャーン数という不変量で特徴付けられるトポロジカルな量子状態であることが認識されるようになったことである（1982 年） [1]。その次が、トポロジカル超伝導体を利用すると非可換統計に従う「マヨラナ粒子」と呼ばれる不思議な粒子（後で詳述）を準粒子として作り出すことができ、この非可換マヨラナ粒
子を量子ビットとして使うと擾乱に強いトポロジカル量子計算が可能になる、という提案である（2000 年）[2]。そして 3 つ目が、普通のバンド絶縁体の中にもZ2インデック
スという不変量で特徴付けられるトポロジカルなものがあるという発見である（2005 年） [3]。そのような絶縁体は当初、量子スピンホール絶縁体と呼ばれたが、2007 年ごろからトポロジカル絶縁体と呼ばれるようになり、その後に具体的な物質も発見されて、理論・実験ともに最近その研究が世界的な流行を見せている[4]。
トポロジカル絶縁体の特徴は、バルクにはエネルギーギャップを持つ絶縁体なのに、その表面にギャップレス
の金属状態が生じていることである。その表面状態中の電子は、質量項をゼロにおいたディラック方程式で記述されるエネルギー状態を持つため、これを「相対論的ディラック粒子」とみなすことができる。しかもそのスピンの向きが、面内に固定された上で運動量ベクトルに対して常に垂直になる「ヘリカルスピン偏極」を持つ**のが大きな特徴である［図1 (a)］。このようなヘリカルスピン偏極の存在はすなわち無散逸スピン流の存在を意味するので、トポロジカル絶縁体の表面を利用した超省エネル
ギー型スピントロニクスの応用が期待されている[5]。
トポロジカル超伝導体もトポロジカル絶縁体と似た特徴を備えており、バルクの波動関数には超伝導ギャップが開いているのに、表面にギャップレスの状態が現れる[6]。ただしトポロジカル超伝導体のバラエティはトポロジ
カル絶縁体よりも幅広く、バルクの持つトポロジカルな性
格に応じて、表面状態の性質も様々であるところが重要な違いである。例えば時間反転対称性の破れた 2 次元
トポロジカル超伝導体（＝カイラル超伝導体）のトポロ
ジーはチャーン数によって決まり、その端には右回りか左回りかどちらか一方の電子の流れ（カイラルエッジ流）が生じる［図 1(b)］。これに対して、時間反転対称性を保った3 次元トポロジカル超伝導体のトポロジーはヒル
ベルト空間の巻き付き数によって決まり、その表面にはヘリカルなスピン偏極を持ったマヨラナ粒子が現れる［図 1 (c)］。
このマヨラナ粒子とは、粒子がそれ自身の反粒子でもあるという奇妙な粒子で、もともとは1937 年にイタリアの理論物理学者エットーレ・マヨラナによって、当時未知の粒子だったニュートリノのモデルとして提唱されたものである[7]。これまでマヨラナ粒子が素粒子として実際に自然界に存在することは確認されていないが、超伝導体の表面では電子がマヨラナ粒子として振舞うことが起こり得る。その理由は、超伝導状態における励起であるボゴリューボフ準粒子が持つ基本的な性質である粒子・***

このとき、スピンの方向が固定されていることから、スピンの正確に言うと、ある状態を記述する波動関数が構成するヒル「自由度」は失われている。しかしスピン自体が消失しているわ

ベルト空間が非自明なトポロジカル不変量を持つ（例えば種けではない。なおグラフェンにおける 2 次元電子系はトポロジ

数や巻き付き数がゼロでない）とき、その状態はトポロジカルな

カル絶縁体表面と同様に質量ゼロのディラック粒子と見なせる

量子状態である。

が、こちらはスピン縮退しており、スピンの自由度は 2 である。

FSST NEWS No.133-6-図1 : (a) トポロジカル絶縁体におけるヘリカルにスピン偏極した表面ディラック電子系のエネルギー分散の概念図。
(b) 時間反転対称性の破れた 2 次元トポロジカル超伝導体の端に現れるカイラルエッジ流のエネルギー分散の概念図。黒線はスピン縮退したボゴリューボフ準粒子を表す。
(c) 時間反転対称を保った 3 次元トポロジカル超伝導体の表面に現れるヘリカルにスピン偏極したマヨラナ粒子のエネルギー分散の概念図。この状態はボゴリューボフ準粒子なので、アップスピンの分散とダウンスピンの分散それぞれについて、フェルミレベルの上と下は固有状態として同じものである。

正孔対称性にある。つまり、超伝導体中でクーパー対を壊したときにできる励起状態は、粒子が 1 個できた状態と見ることも、正孔が 1 個できた状態と見ることもでき、この「粒子」と「正孔」は固有状態として同じもの（つまり生成演算子が同一）である。ただしボゴリューボフ準粒子
が粒子・正孔対称性を持っていても、スピン縮退している限りマヨラナ粒子とは見なせない。特別な場合、つまりボゴリューボフ準粒子がスピンの自由度を失った場合に限り、「粒子がそれ自身の反粒子である」***というマヨラナ
粒子の性質を満たすようになる。3 次元トポロジカル超伝導体の表面ではボゴリューボフ準粒子がヘリカルなスピン偏極を持つため、スピンの「自由度」が無くなっているので、これをマヨラナ粒子と見なせる、というわけである。
なお p 波超伝導体の代表例である Sr2RuO4 は、時間反転対称性の破れた擬 2 次元トポロジカル超伝導体である可能性が高いが[8]、この系ではエッジ状態がスピン縮退しているため、エッジにマヨラナ粒子は現れない。
これに対して、最近筆者らがトポロジカル超伝導体であることを発見 [9] したCuxBi2Se3 超伝導体の表面にはヘリカルなマヨラナ粒子が存在するため、筆者らによるポイントコンタクト分光実験で観測されたギャップ内電子状態［図2］は、このマヨラナ粒子を見ているものと考えられる。

つかのバラエティを持っている。マヨラナ粒子はエッジにだけ現れるとは限らず、磁場をかけたときにできる量子化
磁束の中にも現れることがある。さらに、そのような量子化磁束中のマヨラナ粒子は non-Abelian と呼ばれる非可換統計に従うことがあり、現在、どのような場合に非可換
マヨラナ粒子が現れるのかを明らかにするための理論研究が精力的になされている。この非可換マヨラナ粒子が2つあるとき、その粒子を入れ替えた状態はエネルギー的には縮退しているが波動関数としては直交した別の状態であり、粒子を入れ替えるたびに別の直交した状態が得られる（つまり状態は無限に縮退している）。このため、そのような 2 つのマヨラナ粒子を空間的に引き離すと、トポ
ロジカルに守られた量子情報を作ることができる。この性質を利用した「トポロジカル量子計算」では、擾乱によって量子情報が失われることがないので、実用的な量子コンピュータを実現する鍵として注目されている。
筆者らの CuxBi2Se3 超伝導体におけるポイントコンタク
ト分光の実験 [9] は、2 次元的なマヨラナ粒子を初めて間接的に観測したものであり、これまで仮想的な粒子に過ぎなかったマヨラナ粒子を実験的に調べる舞台がついに見つかった、といえる。しかしゼロ次元粒子である
非可換マヨラナ粒子の観測は、世界中で競争が行われているもののまだ未達成であり、今後トポロジカル超伝導体の研究が大きく進展していくことが期待できる。

既に述べたようにトポロジカル超伝導体の性質はいく***

正確に言うと、粒子の生成演算子の複素共役（つまり消滅演算子）が生成演算子と同一であること、つまり γ = γ † である
ことがマヨラナ粒子であるための条件である。

-7-

超伝導科学技術研究会

参考文献[1] D. J. Thouless, M. Kohmoto, M. P. Nightingale,and M. den Nijs, Phys. Rev. Lett. 49 (1982)
405-408.
[2] N. Read and D. Green, Phys. Rev. B 61 (2000)
10267-10297.
[3] C. L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 95(2005) 146802.
[4] 日本語の解説として、安藤陽一、固体物理 45(2010) 667-680; 永長直人、固体物理 45 (2010)
681-689.
[5] J. E. Moore, Nature 464 (2010) 194-198.
[6] 日本語の解説として、佐藤昌利、固体物理 46(2011) 399-411.
[7] F. Wilczek, Nature Physics 5 (2009) 614-618.
[8] Y. Maeno, S. Kittaka, T. Nomura, S. Yonezawa, and
K. Ishida, J. Phys. Soc. Jpn. 81 (2012) 011009.
[9] S. Sasaki, M. Kriener, K. Segawa, K. Yada,
Y. Tanaka, M. Sato, and Y. Ando, Phys. Rev. Lett.
107 (2011) 217001.
図2: 時間反転対称性を保った3次元トポロジカル超伝導体の最初の例として確認されたCuxBi2Se3 超伝導体。
(a) 単結晶の写真。(b) ポイントコンタクト分光法によって観測された微分コンダクタンスのピーク。図中の縦の破線が超伝導ギャップのエネルギーを表す。
このデータは、超伝導ギャップ内にギャップレスの表面状態が存在することを示しており、CuxBi2Se3において異方的超伝導状態が実現していることがわかる。この物質は非常に単純な電子構造を持っており、もしこの物質で異方的超伝導状態が実現していればそれはトポロジカル超伝導でしかあり得ないことが理論的に示されているため、この微分コンダク
タンスのピークがトポロジカル超伝導体の証拠を与え、マヨラナ粒子を間接的に検出しているものであることが結論できる。

FSST NEWS No.133-8-さらに、鉄系超伝導体の化学式は、REFeAs(O, F) （REは希土類元素、通称1111系）やAEFe2As2 系超伝導体（AE はアルカリ土類金属、通称 122 系）と表され、いずれも結晶構造に特徴的な FeAs 層を有する。この FeAs
層は、接合界面においてシリコンやIII-V 族化合物半導体の閃亜鉛鉱構造と優れた格子整合性を有する。このことは、鉄系超伝導接合の I 層（絶縁層）に半導体を用いることができる点、また鉄系超伝導接合技術が半導体プロセス技術との整合性を有することから、将来的な多層構造の集積デバイスの作製の点からも有利である。
2008 年以来、いくつかの新しい鉄系超伝導体が発見されているが、代表的な系は、REFeAs(O, F)、K または
Co を ド ープし た AEFe2 As2 、 AFeAs (A =Li, Na) 、 FeCh
(Ch= Te, Se, S)、ブロック層にペロブスカイト型酸化物層を 持 つ (Fe2 Pn2 )(AEn+1MnO3n-1) [M22(n+1)n (3n-1)
相 ](Pn =As, P) ま た は (Fe2 Pn2 )(AEn+2MnO3n) [M22(n+2)n (3n) 相 ] の 5 つ で あ る 。 こ れ ら の 中 で 、 REFeAs(O, F)は現在最高のTc (=55 K)を有する。AEFe2 As2 は比 較 的 高 い Tc (= 38 K) を 有 し 、 か つ 、 結 晶 構 造 が
REFeAs (O, F) より単純である。また FeCh は鉄系超伝導体の中で最も単純な結晶構造を持つ。そのため国内外の薄膜作製の研究はこの3つの系に集中している。
我々はれまでに MBE 成長によりこれら 3 つの系すべての薄膜作製に成功している [2-10]。鉄系超伝導薄膜作製に関する重要な成果の多くは、これまで日本、EU、
アメリカから報告されているが、高いTc を有する K 添加
AEFe2 As2 およびREFeAs(O, F) において、積層型接合が可能な as-grown 薄膜を作製できるのは現時点で日本のみである。以下に、当グループの特徴である蒸着
レ ー ト 制 御 MBE 装 置 、 お よ び こ れ ま で に 成 膜 し た
REFeAs (O, F) およびAEFe2 As2 系超伝導体の薄膜作製について記す。

＜トピックス 3＞
MBE 法による鉄系超伝導薄膜作製とその薄膜の特徴
MBE growth and characteristics of Fe-based
superconducting films
東京農工大学
上田 真也，高野 志郎，菅原 弘晃，内藤 方夫
Department of Applied Physics,
Tokyo Univ. of Agriculture and Tech. (TUAT)
S. Ueda, S. Takano,
H. Sugawara and M. Naito
1. はじめに超伝導デバイスの基本は、図1 (a)に示すように2 枚の超伝導薄膜を数 nm 程度の厚みの絶縁層で隔てた超伝導体／絶縁体／超伝導体（SIS）のサンドイッチ構造である。この構造をもつ超伝導デバイスは、トンネル（積層）型ジョセフソン接合と呼ばれる。金属系の超伝導エレクトロニクスの歴史から明らかなように、高性能のエレクトロニクスの実現には、クリーンな界面を有するトンネ
ル型ジョセフソン素子が不可欠である。
しかし従来の銅酸化物高温超伝導体では、未だに再現性、制御性に優れたトンネル接合は実現していない。
それは、銅酸化物の特筆すべき特徴として銅と酸素の結合が弱いため、接合界面において酸素が銅酸化物から容易に離脱するためである。図 1 (b) のように、異物質と接する界面では銅酸化物の超伝導性が劣化する。
この界面制御の問題があるために銅酸化物の SIS 接合
はデバイス化が難しい。
一方、2008 年に東工大グループにより発見された鉄系高温超伝導体は [1]、銅酸化物のような酸素との弱結合の問題がなく、界面の問題を含まないと予想される。
(a)2. 蒸着レート制御分子線エピタキシー（MBE）装置
本研究の特徴は、蒸着レート制御 MBE 成長による薄膜作製である。一般に、鉄系超伝導体などの多元化合物の薄膜成長には組成制御が不可欠であるが、従来（市販）の MBE 装置には蒸発フラックス比を正確かつ再現性良く制御する機構がない。組成制御には、蒸発フ
ラックスの元素識別可能な原子吸光分光や原子発光分光を原理とした蒸発レート制御器が有用であることから、
当 グ ル ー プ で は MBE 装 置 に 電 子 衝 撃 発 光 分 光（EIES）レート制御装置と原子吸光分光（AAS）レート制
御装置を搭載している（図 2） [11, 12]。この組成制御
MBE 法により、従来は蒸着法による薄膜作製が不可能だった多元機能材料（太陽電池材料 Cu (InGa) Se2 等）の薄膜作製も可能となる。

(b)

図1. (a) 鉄系超伝導体を用いた接合構造、(b) 従来の高温超伝導体の接合構造における粒界の概念図-9-

超伝導科学技術研究会

MBE 法は本来、他の成膜法と比較して長所が多い。
超高真空中の清浄雰囲気下での成膜が可能なこと、成長プロセスが単純であるため低温成長が可能なこと、大面積化が可能でデバイス作製のコスト低下を実現できること、などが挙げられる。組成制御という唯一の弱点が克服されたことにより、今後、鉄系超伝導体のみならず次世代の電子・磁気薄膜素子の作製においても主流となることを期待している。
(a)

(b)

図2. (a) 電子衝撃発光分光（EIES）、(b) 原子吸光分光（AAS）の概念図

3. (AE, K)Fe2 As2 (AE = Sr, Ba) の薄膜成長 [2-5, 8]
AEFe2 As2 系 の 鉄 系 超 伝 導 体 は 、 Tc に つ い て は
REFeAs (O, F) よりもやや劣るものの結晶構造がよりシン
プルで、アニオンの数も一種類 (As) のみであることから、薄膜成長および将来のデバイス作製において有利になることが期待できる。AEFe2 As2 のTc は K 添加により30 Kを超え、(Ba, K) Fe2 As2 および (Sr, K) Fe2 As2 においてそれぞれTc =38 K および37 KとAEFe2 As2 系で最も高いTcを有する。
国内外の研究を見渡すと、AEFe2 As2 系の薄膜作製に関しては、PLD 法および MBE 法でSr(Fe, Co) 2 As2 ,Ba (Fe, Co) 2 As2 薄膜、BaFe2 (As, P) 2 薄膜が報告されているがが [13-17]、(AE, K)Fe2 As2 薄膜を in situ で成膜しているのは当グループのみである。当グループではMBE 法の特長である低温成長により、低 As フラックス
下で (AE,K) Fe2 As2 薄膜作製に初めて成功し、これまでに(Sr, K) Fe2 As2 でTcon(Tcend)= 33.5 K (31.0 K), (Ba, K)
Fe2 As2 で Tcon (Tcend) =38.3 K(35.5 K) の超伝導特性を得ている。

As の蒸気種がほぼ四原子分子As4になっているためと考えられた。そこで As フラックスに関しては、As 分圧を
イオンゲージと四重極形質量分析計（Q-mass）によりモ
ニタリングした。 pAs = 10-5 －10-8 Torr、基板温度Ts =250–700°Cの成膜条件で、Feの蒸着レートを~ 0.5 Å/s として 5 分間成膜し1300 Å の薄膜を得た。K を含む薄膜は大気中で速やかに劣化するため、真空チャンバーから取り出した直後にポリスチレン樹脂を塗布し、酸化を防いだ。薄膜の表面構造の観察、相同定は RHEED、
XRD 測定により行った。
3.2. (AE, K)Fe2As2 薄膜成長
3.2.1 Sr1-x Kx Fe2As2 [(Sr, K)122]薄膜
当グループでは、まず K を含まない母物質SrFe2 As2の薄膜成長を試みた。その結果、SrFe2 As2 の成長は比較的容易であり、Ts = 480－650°C、pAs = 10-5－10-6 Torrの広い範囲において、r-cut Al2 O3 上に良質なc 軸配向
エピタキシャル薄膜を得た。薄膜のXRDおよび ρ-T 測
定結果を図 3.1 に示す。Ts = 370°Cでは、XRDパターン
からはSrFe2 As2 生成が確認できないものの、200 K 付近にSrFe2 As2 の磁気相転移に由来する特徴的なキンクが観測されることから、370°C においても相が生成することを示唆している。Ts > 700°C では、Al2 O3 基板と Fe の反応により膜が劣化する。従って薄膜成長の最適条件は、
Ts = 550－650°C, またpAs = 2－4×10-6 Torrであった。
続いて K 添加 SrFe2 As2 の合成を試みた。K は高い平衡蒸気圧を有し、Ts > 350°C で直ちに基板から再蒸発するため、母物質と同じ条件では成膜できない。K を薄膜に取り込むには、成長温度の低下が不可欠であり、さらに同時に As 分圧を下げることが必須である。試行錯
誤の結果、成長温度を 300-350°C 付近まで大幅に下げ、同 時 に pAs=4×10-7 Torr に 下 げ る こ と で c 軸 配 向 の
Sr1-xKxFe2As2薄膜を得ることに成功した。得られた薄膜のXRDおよび電気抵抗率測定結果を図3.2 に示す。成長条件をTs = 340°C、pAs = 5×10-7 Torrのときに、ほぼ最適ドープ量に近いx = 0.45でTcon(Tcend) = 33.5 K(31.0 K)を示した。さらに As 圧を下げて pAs = 1×10-8 Torr とすると、Sr1- x Kx Fe2As2 相は形成されなかった。

3.1 実験方法
単体原料 Sr, Ba, Fe, As および K の蒸発源である
In-Kを、真空チャンバー (~ 10-9 Torr) 中で抵抗加熱によ り 蒸 発 し 、 r-cut Al2 O3 , SrTiO3 (001), LaAlO3 (001),
MgO (001) 基板上に成膜を行った。Sr, Ba, Fe の蒸発
レートはEIESにより、K の蒸発レートは AAS により制御した。Asは λ ≈ 2000 Åに強い原子発光線を持つとされているが、我々は信号を観測できなかった。この原因はFSST NEWS No.133- 10 -

図3.1 r-cut Al2O3 基板 上 に得 られた SrFe2As2 薄膜の (a)XRDおよび(b) ρ -T 測定結果。成膜時のAs 分圧はpAs= 5×10-5 Torr

以上のことから、(AE, K)Fe2As2系薄膜成長について次のことが考察される。従来の銅酸化物高温超伝導体の薄膜成長では、分解曲線直上の酸素分圧で成膜す
ると表面マイグレーションが高まり結晶性が向上するという Bormann-Hammond 則が知られている。鉄系超伝導体の薄膜成長においても、酸素分圧を As 分圧に読み換えれば同じ法則が成り立っているように見える。すなわち、低 As 圧の効果として表面マイグレーションが高まと考えられる。また、(Sr, K)Fe2As2が低温かつ低 As 圧で生成したのと対照的に、母物質SrFe2As2 は同じ条件
では生成しない。これは(Sr, K)Fe2As2 の薄膜成長においてはKが成長を促進する役割を果たしていることを示唆している。Ts ≈ 300°Cにおいて、平衡蒸気圧の高い Kが薄膜表面への吸着、脱理を頻繁に繰り返すことで、
表面マイグレーションが高まると考えられる。以上より(AE, K)Fe2As2の低温成長には、低い As 圧及び K の吸着、脱理による表面マイグレーションの向上が重要なファクターである。

図3.2 r-cut Al2O3 基板上に得られたSr0.55K0.45Fe2As2およびBa0.65K0.35Fe2As2 薄膜の(a) XRDおよび(b) ρ -T 測
定結果。成膜条件は、Sr系ではTs = 340°C, pAs = 5
×10-7 Torr、Ba系ではTs = 340°C, pAs = 3×10-8 Torr

3.2.2 Ba1-x Kx Fe2As2 [(Ba, K)122] の薄膜(Ba, K)Fe2As2 薄膜は、(Sr, K) Fe2As2 とAs 分圧以外はほぼ同じ条件で得られた。最適成長温度は、母物質
BaFe2As2薄膜ではTs = 550－650°C、K添加(Ba, K) Fe2As2
薄膜ではTs = 315-340°Cであった。一方、(Ba, K)Fe2As2
薄膜成長に適したAs 分圧は、(Sr, K) Fe2As2と比べ約一桁低い。この成長条件を図3.3 に示した。Sr 系と Ba 系で薄膜成長に必要なAs 分圧が異なる理由は、より大きな
Ba2+イオンの方が大きなAs3-イオンを安定化するため格子エネルギーが高く、(Ba, K)Fe2As2の方が As の解離圧が低くなると考えられる。図3.2 に、最適条件で作製した(Ba, K)122 薄膜のXRDパターンおよび電気抵抗率の温度依存性を示した。基板温度 340°C, pAs = 3×10-8
Torrの成長条件でほぼ最適ドープ量 x = 0.35が得られ、Tcon (Tcend) = 38.3 K(35.5 K) の鋭い超伝導転移を示している。RHEEDパターンからも良好な結晶性と表面平坦性を有することが分かった。

- 11 -

超伝導科学技術研究会

図3.3 (Sr, K)Fe2As2および(Ba, K)Fe2As2の成長条件
図3.5 (Sr, K)Fe2As2および(Ba, K)Fe2As2 薄膜のTcon、end
Tc のKドープ量依存性

図3.4 Ba1-xKxFe2As2 薄膜のc 軸長のKドープ量x 依
存性

続いて、Ba1-xKxFe2As2薄膜のKドープ量 x を 0 から 1.0に系統的に変えて超伝導特性を調べた。図3.4 に示したように、K を増やすに従ってc 軸長は12.94 – 13.77 Å まで系統的に伸びた。格子定数の異なる r-cut Al2O3,
SrTiO3, LaAlO3, MgOの4種類の基板上の薄膜の格子定数には系統的な違いは見られなかった。ただし、用いる基板によって薄膜の化学的安定性に違いが見られ
r-cut Al2O3および MgOを用いた場合に、薄膜が大気中でより安定であることが分かった。
図3.5 は(Sr, K)Fe2As2および (Ba, K)Fe2As2 薄膜の各
K ド ー プ 量 に よ る Tcon お よ び Tcend の 変 化 で あ る 。
Ba1-x Kx Fe2As2では置換量 x ≈ 0.3 でTcon の最高値~39 Kが得られる。一方、Sr1-x Kx Fe2As2 では置換量 x ≈ 0.4 でTcon の最高値33.5 Kが得られている。最高のTc を与える
置換量が Ba1-x Kx Fe2As2 と Sr1-x Kx Fe2As2 で異なることは、
以下のように理解される。鉄ニクタイドの多くがTN = 100～200 K で磁性（スピン密度波（SDW））を伴う構造相転移を示す。Ba 系と Sr 系の両系の電子相図を比較すると、BaFe2As2 はTN = 150 K、SrFe2As2 はTN = 200 K と50 K高
く 、 そ れ ゆ え 、 Sr1-x Kx Fe2As2 で は SDW 相 領 域 がBa1-x Kx Fe2As2 よりも拡がっている。SDW と超伝導は競合するため、Sr1-x Kx Fe2As2において SDW を抑制して超伝導を発現するにはより大きな xが必要となる。
FSST NEWS No.133

4. SmFeAs(O, F)の薄膜成長 [5-10]
REFeAs (O, F)、REFeAsO1-y は鉄系超伝導体の中で最も高い超伝導転移温度を持つ。なかでも、RE = Nd、
SmではTc ~ 55 Kに達する。この系の薄膜は最初に名古屋大学の生田グループから報告され、MBE 成長によって高い Tconset = 56 Kを有するNdFeAs (O, F)薄膜が CaF2上に得られている [18-21]。彼らはまた、成長後半に薄膜表面に生成する NdOF 層が膜内へのフッ素供給および膜内からのフッ素抜け抑制の 2 つ重要な役割を果たしていることを明らかにした。我々も、母物質 SmFeAsO
を成膜後、その上にさらに SmF3 を堆積して F 拡散する
同様の手法により、超伝導 SmFeAs(O, F)薄膜を得ている [5-7, 9]。
一方、上記のREFeAs (O, F)薄膜は単膜を用いた応用には適用可能であるが、REOF 層が表面に生成するため積層応用には適さない。そこで我々は、Sm と SmF3の蒸着比を精密制御しながら共蒸着し、REOF を含まな
い SmFeAs(O, F) 薄膜にも成功した [8, 10]。しかし、基板として、CaF2バッファー／LAO という特殊な基板を用いなくてはならないこと、単相が得られる成長条件が非常に狭く再現性が十分に得られないといった問題が残されている。
以下に (i) ポストアニール法によるSmFeAs(O, F) 薄膜
作 製 （ SmF3 キ ャ ッ プ レ イ ヤ ー か ら の F 拡 散 に よ る
SmFeAs (O, F) 薄膜作製）および、(ii) 薄膜表面に不純物相を含まない SmFeAs (O, F) の 1 ステップ成長について記す。

- 12 -

4.1 実験方法(i) ポストアニール法による SmFeAs (O, F) 薄膜作製では 、 O2 ガ ス を 0.1−0.5 sccm で 基 板 に 吹 き 付 け な が ら（チャンバー内のpO2 = 10-5−10-7 Torr）、単体原料 Sm,
FeおよびAsをTs = 650-670°Cで共蒸着し、酸化物基板（ LaAlO3 (001), YalO3 (001), MgO (001), r-cut Al2O3,
etc ） お よ び フ ッ 化 物 基 板 （ CaF2 (001), SrF2 (001),
BaF2 (001)）上にまず母物質 SmFeAsO を得た。薄膜の膜厚は、Fe の蒸着レートを0.25−0.5 Å/s として 5−10 分間
成膜し1000−1700 Åとした。その後 SmFeAsO 上にTs =650°C で SmF3 を 200-300 Å 蒸着し、30 min ポストアニー
ル す る こ と で SmF3 か ら F を 薄 膜 中 に 拡 散 し 、
SmFeAs (O, F) 薄膜を得た。各元素および SmF3 の蒸発
レートは EIES および水晶振動子を用いて精密に制御した。
(ii) SmFeAs(O, F)の1ステップ成長では、単体原料Sm,
Fe, As に 加 え SmF3 を 酸 素 雰 囲 気 下 で 共 蒸 着 し た 。
SmF3 : Smの蒸着比は0.1−0.15 : 0.85−0.90 とした。基板には、通常の LaAlO3(001), CaF2(001) の他に、本手法において特に重要なCaF2 バッファーLAO 基板（Ts =650°C において LaAlO3基板上にCaF2をバッファー層として500-1000 Å 堆積したもの）も用いた。
4.2 SmFeAs(O, F) [Sm1111]薄膜成長
4.2.1 SmF3 キャップレイヤーから母物質 SmFeAsO へのF 拡散
以下には、高い Tcが得られるフッ化物基板上の薄膜について述べる。まず母物質 SmFeAsO の薄膜成長では、O2 量の精密制御が極めて重要となった。図 4.1(a)は 、 CaF2 上 に 成 膜 し た 母 物 質 SmFeAsO に つ い て 、(003) のX 線回折ピーク強度を成膜中の O2流量を横軸にとってプロットしたものである。2 通りの成膜速度（三角でプロットされたデータは丸のプロットの倍の速度）について示しており、高い成長レートで成膜した膜は O2 流
量 0.30 sccmで、低い成長レートでは 0.19 sccmのときにのみピーク強度が高い。いずれも O2ガス流量がわずか±0.02 sccm ずれるだけでピーク強度は急激に低下する。
SmFeAsO の成長条件は、As 圧に関しては pAs = 1×
10-6−1×10-7 Torr と一桁以上の範囲で成長するが、O2に関してはピンポイントである。
続 い て CaF2 上 の 薄 膜 の 特 徴 と し て 、 格 子 定 数 がSmFeAsOバルクで報告されている値（a = 3.935 Å, c ≈8.50 Å [22]）と比べ、c 軸長が 長く a 軸長 は短い。 図
4.1(b) は薄膜のc 軸長のO2流量依存性を示しているが、得られた薄膜のc 軸は8.53–8.684 Å とすべてバルクよりも長い。最も長いc 軸長は8.684 Å で、そのときの a軸長は3.868 Å であった。この a 軸長の値は、CaF2(001)基板

図4.1

CaF2 上 に 成 膜 し た 母 物 質 SmFeAsO の (a)(003)のX 線回折ピーク強度および(b) c 軸長の成膜時のO2 流量依存性

表面の原子間距離（3.863 Å）と近いことから基板からの圧縮歪みによるものであることが示唆される。図 4.1(b)からは低い成長レートで成膜した薄膜のc軸長はやや短いことが見て取れるが、これは基板からの F ドープによって格子定数が縮むことによる。
図4.2は、SmF3キャップレイヤーからFを拡散したフッ
化 物 基 板 （ CaF2(001), SrF2(001), BaF2(001) ） 上 の
SmFeAsO1-x Fx 薄膜のXRDパターンと ρ -T 曲線である。
いずれの薄膜も F 拡散前の母物質は XRD パターンからはほぼ単相であったが、F拡散後はSmOF, SmO0.7F1.6 の不純物が存在していることがわかる。F 拡散によりc軸長は、0.02−0.06 Å 短縮しており、これは x = 0.075-0.225 に相当する。これらの薄膜のTcは高く、CaF2, SrF2, BaF2上それぞれTcon (Tcend) = 57.8 K (56.4 K), 56.7 K (54.2 K),
55.3 K (41.8 K)であった。CaF2およびSrF2上の薄膜のTcはバルクで得られている最高値よりも高い。BaF2では不純物が多くやや低いTc となっている。
図 4.3は、SmFeAs(O, F) 薄膜のTc をc0 に対してプロットしたものである。フッ化物基板上のSmFeAs(O, F)薄膜のc0 はすべてSmFeAsO0.8F0.2 組成のバルク試料のc0（=8.484 Å [22]）よりも長い。全体的な傾向として、c0 が短い
薄膜ほどTc は高く、逆にc0 が長いほどTc は低くΔTc も大きくなっている。つまり、基板からの歪みの大きい薄膜は Tc が低い。

- 13 -

超伝導科学技術研究会

図4.3 CaF2, SrF2, BaF2上のSmFeAs(O, F) 薄膜のTcをc0に対しプロットした図。プロットの白抜
onきのマークはTc を示し、塗りつぶしたマー
end
クはTc を示す。

図4.2 SmF3 キャップレイヤーからF 拡散を行った
フ ッ 化 物 基 板 （ CaF2(001), SrF2(001),
BaF2(001)）上のSmFeAsO1-xFx薄膜の(a) XRD
および(b) ρ -T 測定結果

鉄系超伝導体では、As-Fe-As の角度が109.47° となり
FeAs4 が正四面体になるときに高いTc が得られることが知られており、REFeAs (O, F)においてRE = Sm, Ndのときにはほぼ 109.47° となっている。これが基板からのエピ
タキシャル歪みによって109.47° からずれるとTc が低下すると考えられる。
X 線回折ピーク強度が弱く、結晶性のあまり良くない
母物質 SmFeAsO 薄膜では、基板からの圧縮歪みの効
果が小さいことから Tc が高くなる傾向が見られた。逆に結晶性の良い母物質薄膜では、基板からの圧縮歪みが大きく、またフッ化物基板からの F ドープ量も少ないことから長いc軸長を有する傾向があった。このような薄膜は、F 拡散により SmFeAs (O, F) となった後もc軸長が長く
Tc は低い。
これらの薄膜の磁化特性を示す。電気抵抗率測定でon
Tc (Tcend) = 57.1 K(55.3 K)が得られた薄膜は、磁化の温度依存性からも Tcon = 54.1 Kが得られ、均質性の高い薄膜であることが示唆された。

FSST NEWS No.133

図4.4

CaF2, SrF2, BaF2上のSmFeAs(O,F) 薄膜のJcの磁場依存性。Inset は磁化の温度依存性を示す。

また、その Jc は、1.8×106 A/cm2 (5 K, in self-field),
8.8×105 A/cm2 (20 K, in self-field), 2.3×105 A/cm2 (40K, in self-field) と高く、SmFeAs(O, F) 単結晶のデータとも良い一致を示した[23]。また Jc の磁場依存性も小さく、
20 K, 5 Tにおいても高い値1.3×105 A/cm2 を有することが分かった。
4.2.2 SmFeAs(O, F)の 1 ステップ成膜
SmFeAs (O, F) 薄膜の 1 ステップ成膜では、基板の選択が非常に重要となった。これまでに単相に近い薄膜はCaF2バッファーLAO 基板上にのみ得られている。図
4.5は、CaF2バッファーLAO 基板上、通常用いられる酸化 物 基 板 で あ る LaAlO3 上 お よ び CaF2 基 板 上 に 、
SmFeAs (O, F) を成膜したものである。LaAlO3 基板やCaF2 基板上では微量の SmFeAs(O, F)相が確認できる- 14 -

ものの SmAs, SmOF が主な不純物として現れる。一方、CaF2 バッファーLAO 基板上では、SmAs の生成が著しく抑制され、SmFeAs (O, F)の単相薄膜が得られた。SmAsの生成を抑制する機構はまだわかっていない。
ただ、この基板を用いても SmFeAs (O, F) の単相薄膜を得ることは容易ではない。Fe の蒸着レートを最適値か
ら±10%変えると FeAs, SmAs, SmOF などの不純物が生成し、また O2 の供給レートを±0.05 sccm 変えるだけでも不純物が生成する。母物質 SmFeAsO の成長では O2 の供給レートが重要であることを述べたが、SmFeAs (O, F)の1ステップ成長では、単相を得る条件がさらに厳しい。

図4.5 CaF2バッファーLAO基板、LaAlO3基板、CaF2基板
上に1ステップ成膜したSmFeAs(O, F)のXRDパ
ターン

図4.6

CaF2バッファーLAO基板上に1ステップ成膜した
SmFeAs(O,F)のρ -T 測定結果

最後に CaF2/LAO 基板上に得られた SmFeAs(O, F)
薄膜の電気抵抗率の温度依存性を図4.6 に示す。F
ドープ量が最適値よりもやや少ないため、post-anneal膜の最高値Tcon ~ 57.8 K よりは低いもののTcon = 51.0 Kにおいて鋭い超伝導転移を示している。
5. まとめ本研究では、Ba1-x Kx Fe2As2薄膜、Sr1-x Kx Fe2As2薄膜、さ ら に 現 在 鉄 系 超 伝 導 体 で 最 高 の Tc を 有 す る
SmFeAs (O, F) 薄 膜 の MBE 成 長 を 行 っ た 。 ま た 、
SmFeAs (O, F) 超伝導薄膜上に余計なフッ素化合物が析出・堆積しないクリーンな表面を持つSmFeAs (O, F)
薄膜成長に成功している。
鉄系超伝導薄膜について本研究で得られた知見として以下が挙げられる。（1）(AE, K)Fe2As2 の薄膜作製に
は低温成長が必須であり、結晶成長には低 As 圧及び
K の出入りによるマイグレーションの向上が重要なファクターであることがわかった。300°C 付近の低温成長は、
これまで鉄系超伝導体の薄膜成長が行われてきた温度に比べて格段に低く、今後も同様な方法によって他の物質でも低温成長が可能であればエレクトロニクス応用には大きな進展となりうる。（2）(Ba, K) Fe2As2 薄膜成長
では、格子定数や超伝導特性の基板依存性は小さい。
当初、鉄系超伝導体は格子の歪みが超伝導特性に大きく影響するため、格子定数が近い単結晶基板を用いないと優れた超伝導特性を有する薄膜作製が難しいことも予想されたが、(Ba, K)Fe2As2の a 軸長が 3.917 Å であるのに対して MgO 基板のa軸長が4.20 Å と大きくずれているにも関わらず良質な単結晶薄膜が得られたことか
ら、基板との格子整合がそれほど重要ではないことが示唆された。これは今後、(AE, K) Fe2As2 鉄系超伝導体を用いた積層型接合構造を作製するにあたり、バリア材として格子定数の近いIII-V 族半導体のみならず、様々な絶縁体をバリア材として使える可能性を示唆する。一方、
SmFeAs (O, F) に関しては、（3）薄膜成長は 540°C 以上の高温成長が望ましく、高温でも被覆性の良いバリア材が今後見つかるかどうかが接合作製の課題となる。また（4）SmFeAs (O, F) 薄膜の超伝導特性は基板依存性が大きいことが分かった。従って、バリア材の上に再び良質なSmFeAs (O, F) 薄膜を成長できるようなバリア材を見つけることが重要である。
6. 謝辞
本研究は NEDO 若手研究グラントより支援を受けて行われたものである。本研究を行うにあたり、試行錯誤を厭わずに辛抱強く薄膜成長を続けてくれた本学卒業の我妻伸哉氏、山岸健氏、武田宗一郎氏、磁化測定をして頂いた山本明保氏（東京大）、また K ソースのIn-K合金を提供して頂いた光田暁弘氏（九州大）にお礼申し上げます。

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超伝導科学技術研究会

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FSST NEWS No.133

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T. Kawaguchi, H. Uemura, T. Ohno, R. Watanabe,
M. Tabuchi, T. Ujihara, K.Takenaka, Y. Takeda,
and H. Ikuta: Appl. Phys. Express 2 (2009)
093002.
H. Ikuta, T. Kawaguchi, H. Uemura, T. Ohno,
M. Tabuchi, T. Ujihara, K. Takenaka, and
Y. Takeda: presented at ISS2010, program No.
FD-1-INV.
T. Kawaguchi, H. Uemura, T. Ohno, M. Tabuchi,
T. Ujihara, K. Takenaka, Y. Takeda, and H. Ikuta:
Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 042509.
T. Kawaguchi, H. Uemura, T. Ohno, M. Tabuchi,
T. Ujihara, Y. Takeda, and H. Ikuta: Appl. Phys.
Express 4 (2011) 083102.
J. Yang, Z.-A. Ren, G.-C Che, W. Lu, X.-L. Shen,
Z.-C. Li, W. Yi, X.-L. Dong, L.-L. Sun, F. Zhou,
and Z.-X. Zhao: Supercond. Sci. Technol. 22,025004 (2009).
P. J. W. Moll, R. Puzniak, F. Balakirev,
K. Rogacki, J. Karpinski, N. D. Zhigadlo and
B. Batlogg, Nature Materials 9, 628 (2010).

＜会議報告 1＞
第 78 回ワークショップ「再生可能エネルギー導入へ向けた超伝導・低温技術」
Report on the 78th Workshop on Applied
Superconductivity and Cryogenics for the useof renewable energy
日立製作所 日立研究所
和久田 毅
Hitachi Ltd., Hitachi Research Laboratory
T. Wakuda
2011年3月11日の震災をまたいでほぼ一年ぶりに開催されたワークショップで、3月13日、東京大学武田ホールにて開催された。参加者は講師5名を含め86名であった。ワークショップ前半では、風力発電、電力貯蔵技術といった超伝導・低温技術から離れた分野の講演がなされ、後半では超伝導電力応用機器、冷却システ
ム、超伝導ケーブルといった超伝導・低温技術の最新の状況が報告された。また、最後に総合討論が実施された。前半の講演は、超伝導・低温技術分野に偏りがちな超伝導サイドの研究者にとっては、競合もしくは協調すべき既存技術の全体像を把握するのに絶好の講演であった。また、後半では最新の超伝導・低温技術動向が紹介され、将来の超伝導機器普及の可能性を感じさせるものであった。以下、講演内容についてかいつまんで紹介する。
日本風力エネルギー学会会長の勝呂幸男氏より「風力発電の現状と将来展望」と題して、風力発電の現状
から風力発電技術そして超伝導に対する期待についての講演があった。風力発電の設置件数の上位は中国、米国およびドイツであり、風力発電機市場シェアにおいても近年中国メーカーの台頭が目立っている。風車の単機容量の大容量化が進んでおり、現在のところは
3.5-4 MW 機が主流であるが、海外では6 MW 機が市場投入されはじめている。国内メーカーでは三菱重工の2.4 MW 機が現時点で最大、7 MW 機が開発中である。
強風や落雷等による故障以外では、機械故障で最も多いのが増速用ギアの破損。発電機と車軸を直結するダ
イレクトドライブが大容量化に伴い開発されている。超伝導に対する期待としては、発電機の小型化・軽量化
であり、また、風車の平均出力は強風域でも35-50%出力であることから、部分負荷時の効率の向上が期待されるとのことであった。風力発電と水素の連携についても触れられ、パタゴニアの風力を利用して水の電気分解で水素を製造すれば、日本の電力の8倍、世界の自動車の2倍の燃料を供給できるとのことであった。
産業技術総合研究所の大和田野芳郎氏より「電力貯蔵技術の現状と将来」との題で現在開発が進められている様々な電力貯蔵方法が紹介された。再生可能エネ
ルギー導入による電力系統の変動抑制に関しては、基本的には系統の連携強化により地域間で電力を融通することによって変動抑制を図り、用途にあわせ適材適所に最小限の電力貯蔵装置を導入するのが良いとのことであった。負荷平準化用途としてpumped storage（揚水発電）が紹介された。国内34 GW の水力発電総量に対し揚水発電は24 GW で十分に普及、水力発電の良好なサイトは既に開発済み。今後は海水や地下を利用することになるだろうとのこと。また、NaS電池に期待をしていたが昨年に火災事故が発生しており今後が懸念されるとのことであった。
東京大学大崎博之教授より「超伝導応用機器開発の現状と将来」と題して、電力向けの超伝導応用機器として、風力発電機、SMES、限流器、ケーブルなどについて説明がなされた。大型風力発電機は6 MW 機が市場投入されようとしており、ダイレクトドライブ、永久磁石をつかった同期発電機が主流になるように見える。超伝導発電機は、大容量、小型軽量、高出力密度、低速・大トルクといった特徴を持ち、ナセル部の重量低減が期待
され、様々な形態の10 MW 級の発電機が検討されている。超伝導発電機をはじめ、SMES、限流器といった超伝導応用を、再生可能エネルギーと組み合わせるためには、単に超伝導による高性能化、新機能の実現だけ
でなく、既存技術に対しコストを含めたメリットがでるようなバランスのとれたシステム設計と効果の明確化・定量化（経済性メリット）が必要であるとのことであった。
前川製作所の池内正充氏より「超伝導電力機器用冷却システムの現状と今後」と題して、超伝導電力応用向けの冷却技術に関する講演があった。冷凍サイクルとしては大きく 2 つの方式、蓄冷器型と熱交換器型があり、前者としてはスターリング、GM 冷凍機、後者としてはブレイトン冷凍機がある。蓄冷器型にくらべると熱交換器型の方が大容量化に有利のため、ターボブレイトン冷凍機開発が進んでいるとのことであった。また、冷凍機本体の性能向上に加え、システムとしての信頼性や運転方法を改善していくことが必要であり、ひとたび納入されれば数十年は運転することを踏まえ運転実績を積み上げていくような機会、プロジェクトがほしいとのことであった。
古河電工の向山晋一氏により「再生可能エネルギーにおける超伝導伝送システム」という題目で、超伝導ケーブルの開発状況に加え、韓国、米国、欧州でのケーブル開発プロジェクトが紹介された。海外の超伝導- 17 -

超伝導科学技術研究会

ケーブル開発が再生可能エネルギーに対応したプロジェクトであるのに対し、国内でもケーブル実証プロジェ
クトが走っているもののそれに対応したものはない。超伝導ケーブルの開発は着実に進んでいるが、交流損失や断熱管などで課題が残っているとのこと。冷凍機間隔
は陸上ではせいぜい1 km。ケーブル運搬の制約があるとのこと。海底なら冷却流路を大きくできることもあり100km くらいはいけるとのこと。区間長が短いと長距離送電する場合には接続箇所がふえ現実的ではなくなるため、陸上と海底ケーブルで常伝導ケーブルと超伝導ケーブ
ルの使い分けがされるだろうと見ているとのことであった。
総合討論では、国内には再生可能エネルギーと超伝導を連携させたプロジェクトがないことを認識し、また、もはやHTS線材の性能向上や価格が下がることを待つのではなく、現状の線材を受け入れ既存技術に対し性能のみならずコストでも勝てるようなシステム設計を行うことが必要という共通認識に達した。

＜会議報告 2＞
超伝導科学技術研究会
第 38 回シンポジウム会議報告
Report on the 38th FSST Symposium
古河電気工業（株）
木村 昭夫
Furukawa Electric Co., Ltd..
A. Kimura
超伝導科学技術研究会第38回シンポジウムが、4月17日（火）にタワーホール船堀の小ホールで開催された。
参加者は105名であった。
午前には2件の基調講演があり、1 件目は MIT の岩佐先生の超伝導科学技術賞特別賞の受賞記念講演でもある。
“Past and Future of Magnet
Technology”と題して、超伝導現象発見から101年目を迎えてのマグネットテクノロジーの歴史を概観し、期待する将来像に関してのご講演であった。特に印象に残った文章を示す。
“Our urgent task is to enable more superconducting
devices pay tax rather than these devices kept alive by
tax money.”
FSST NEWS No.133

2件目は物質・材料研究機構の戸叶氏から、「マグネット用線材-開発の経緯と展望」と題して40 年間のご自身の経験を踏まえた立場から過去から現在までの線材
開発の経緯を紹介され今後を展望するというご講演があった。ここではとくに金属系であるNb3Snを代表とする
A15 型線材について紹介する。1961年から1972 年にかけてテープ形状線材開発をベースにして15 T 級の超伝
導マグネットが市販されたが、テープ導体の宿命である不安定性が障害となった。1970 年の太刀川によるブロンズ法の発明とともに丸線や平角形状の Nb3Sn 線が開発され臨界電流密度の向上が進展して核融合等の応用への道が開けた。さらに Nb3Sn や Nb3AlなどのA15 型の 線 材 化 研 究 が 進 め ら れ て い る 。 ま た 2001 年 に は
MgB2線材が発見され、Bi2223 やYBCO の高温超伝導材料よりも臨界温度 Tc は38 K と低いが異方性が小さく
コヒーレンス長が長く、丸線の開発が進められている。
今後は、高磁場特性の改善や PIT 法以外の製造プロセスの開発が必要だろう、とのことである。
午後は、高エネルギー加速器研究機構の荻津氏か
らは、「加速器における超伝導マグネット」と題して、まずは加速器用超伝導磁石の歴史についてお話があった。
また、超伝導化することにより、高磁場化に伴った加速器の小型化と1/10 以下の省電力化が可能であることがメリットとなる。また、ヨーロッパにおける世界最大の超伝導粒子加速器 LHC で起きた故障の原因が導体の接続部の半田施工不良であり、その後順調に復旧し、現在
では目標エネルギーの50%で運転を続けていることについての紹介があった。さらにご自身の超伝導科学技術賞の受賞対象になった J-PARC ニュートリノビームライ
ンにおける新型マグネットについては、場所の制約によりビームラインを 90度に曲げることが必要になり、かつ予
算と工期の制約から2極磁石と 4 極磁石を合成した磁石の設計・製作をし、要求性能を実現したとのことで、筆者にとっては、興味あるお話を聞くことができた。
次に、日本原子力研究機構の小泉氏からは「ITERにおける超伝導マグネット」と大型プロジェクトに関わるマ
グネット開発についてのお話を伺った。順調に資材調達が進んでいる、との印象を持った。とくにブロンズ法
Nb3Sn 線材の臨界電流密度が当初の計画の2倍近くまで上昇したことについて、本プロジェクトの重大な成果であると感じた。
信州大学の干川氏から「CZ 法 Si 結晶成長における磁界印加効果と研究開発の経緯」について、ご講演いただいた。今では、300 mm 以上の直径を持つシリコン
単結晶の製造に必要不可欠となった磁界印加装置について、熱対流の抑制以外に結晶中の酸素濃度の制御も有効、必須技術であるとのことであった。また超伝- 18 -

導磁石の価格については、現在の1/3 の価格を希望する、と要望があった。
理化学研究所の前田氏からは「高温超伝導を用いた
NMR の開発」について高温超電導線の課題、解決法が示された。NMRの開発で重要な点は高磁場の発生、永久電流モードを使った磁場安定性等があげられる。
高磁場の発生には、臨界磁場の高い材料、すなわち
Bi2223 線材やYBCO 線材を使うことが必須である。磁
場安定性については、これらの高温超伝導線では超伝導接続ができないため、「磁場周波数ロック・システム」
でフィードバック制御した電源を使うことで、電源の不安定性から解放された、とのことである。
最後の講演者として、物質・材料研究機構の和田氏からは「MRI と超伝導マグネット」について現状と今後のMRI 用超伝導マグネットの方向性についてのご講演があった。超伝導現象は、電気抵抗がゼロになるという物性を持ち、誰もが社会の変革を夢見てしまうが、現実には超伝導化が社会の隅々まで広がるにはほど遠い。その中でMRI が社会的課題解決のために大きく貢献するだろう。超伝導の有用性について新たな工夫により証明
できれば、超伝導研究開発の継続的な発展をもたらし、さらに他の社会的課題の解決あるいは新産業の創成へとつながるだろう、とのことであった。

＜会議報告 3＞
応用物理学会 田中先生追悼シンポジウム
報告
Report on the memorial symposium of Prof.
Shoji Tanaka at JSAP 2012 Spring Meeting
超電導工学研究所
田辺 圭一
Superconductivity Research Laboratory, ISTEC
K. Tanabe
高温超伝導の研究分野を切り開き、（財）国際超電導産業技術研究センター（ISTEC）において、副理事長、超電導工学研究所（SRL）所長として 20 年にわたり高温
超伝導材料とその応用技術の研究開発を牽引された田中昭二先生（東京大学名誉教授）が昨年11月11日に急逝された。また、高温超伝導体の臨界温度が77 Kを超えたのが 25 年前の1987年 2 月であったことから、応用物理学会超伝導分科会の企画により、「高温超伝導研
究開発の 25年と将来-発見前夜から超伝導デバイス・線
材開発まで」と題した追悼シンポジウムが3月15日、応用物理学関連連合講演会（早大）の会期中に行われた。
このシンポジウムは前半・後半各 2 件の講演で構成され、前半は北澤宏一先生（JST 前理事長）と石井英雄氏（東京電力；田中研究室 OB）が、東京大学在職、在学時代を振り返り、高温超伝導発見当時の状況について紹介した。また後半は、ISTEC／SRLにおける田中先生ご指導による高温超伝導研究開発の進展を筆者と塩原融・現 SRL 所長が紹介し、先生のご功績を振り返った。
北澤先生は、1980 年に田中先生に要請されて工業化学科から物理工学科の田中先生のグループに移った。当時の田中研では、酸化物超伝導体BaPb1-x BixO3の研究を行っていたが、これは BCS の壁への反抗であった。BednorzとMüller の論文を入手したのが1986 年
9 月、初めは当時よくあった未確認超伝導物質（USO）の一つかとも思ったが、11月には卒論の学生がマイス
ナー効果とゼロ抵抗を確認し、12 月にはついに結晶構造を突き止めた。これら、高温超伝導体発見の経緯が当時出版された漫画のコマも引用して紹介された。その後、米国の Physical Review Letters 誌の特集（86 報掲載）に対抗し日本の基礎研究のアクティビティを示すた
め、JJAP の 4 月号に 85 報を集め、田中先生が発表した
5 月のアナハイムでの MRS にこれを1000 冊輸送し配布したことや、米国議会の要請により13 ヶ所で講演を行ったという苦労話もされた。高温超伝導体の実用化に関しては、20 年の技術開発で長尺線材ができあがり、舶用モーターからリニア新幹線用のマグネットとして使われることを信じている。また、地下送電ケーブルだけでなく将来的には地球規模の送電網に使われるという夢が語られた。
石井氏は1985 年から1988 年にかけて大田中グルー
プの北澤先生、内田先生の研究室に在籍し、ちょうど高温超伝導体が発見された当時に立ち会ったメンバーの一人である。当時感じ取った田中先生の特徴や人柄について語ると共に、高温超伝導体で 28 K を確認し皆で祝ったこと、また企業から田中先生の研究室に派遣された研究者の数が急に増えたことなど、発見当時の研究室が活気づいた様子を紹介した。
筆者は、大学院時代に田中先生から Fröhrich の機構に基づく室温超伝導につながるかもしれない挑戦的な研究テーマを与えられたことや、その後1995 年に先生からの要請で NTT から SRL に移ることになった経緯について紹介した。1998 年からの筆者は、薄膜、デバイス分野を SRL において担当することになった。当時、単一磁束量子（SFQ）回路の研究が米国で盛んになっていたが、田中先生は通産省、科技庁に働きかけられ、まずニオブ系低温超伝導 SFQ 回路の基盤研究プロジェクトを立ち上げ、次に自らがリーダを務めた NEDO 「超電導- 19 -

超伝導科学技術研究会

応用基盤技術開発」プロジェクトにおいて、高温超伝導
SFQ 回路の基盤技術開発を主要テーマの一つに設定した。その後、先生は、2002 年の経産省の情報通信
ネットワーク機器基盤研究開発プログラム発足にも尽力された。このプログラムの中心は半導体デバイス開発であったが、SFQ デバイスも次世代の低消費電力デバイ
スとして位置づけられ、国のサポートが継続された。田
中先生の夢は超伝導コンピュータの実現であった思う
が、我々に示された研究目標も、当初は、5-10 年で10 k
ゲートクラスの高温超伝導 LSI の実現という非常に高いものであった。実際、銅酸化物では LSI の実現はできなかったが、プロジェクトで開発したジョセフソン接合作製
技術は、高性能の高温超伝導 SQUID の開発に繋がり、金属資源探査機やバイオ・非破壊センシング装置の実
現へと花開きつつある。また、ニオブ系低温超伝導
SFQ 回路用の世界最高水準のプロセスが構築され、まずは超伝導検出器用の多重信号処理回路等への応用が見込まれている。
塩原所長は、結晶成長など材料プロセスの専門家として、発足時のISTEC／SRL の研究室長の一人とし、田中先生よりMITからの移籍を要請された経緯についてまず紹介した。SRL での最初の10 年間の研究として
は、包晶反応を利用した Y 系超伝導材料の大型単結晶引き上げ技術（SRL-CP 法）の開発等が特筆されるが、これは単結晶が非常に重要だという田中先生のお考えにも沿うものであった。1998 年からの NEDO 「超電導応用基盤技術開発」プロジェクトにおいては、Y系超伝導線材の基盤技術開発に線材メーカーと共に取り組み、フ ジ ク ラ に よ る IBAD 法 の 開 発 、 SRL に お け る CeO2
キャップ層の開発、GdBCO 超伝導層の採用による線材の特性向上や製造速度の大幅向上などの大きな成果が生まれた。線材開発についても田中先生は、例えば超伝導臨界電流値（Ic ）、長さ（L）の後は低コストなど次々と新しい課題を出され、IBAD-PLD 線材だけでなく低コストの MOD 線材の開発に繋がった。SRL の最近の重要な成果としては、BaHfO3（BHO）人工ピンの開発があげられる。BHO 人工ピンは低温、高磁場においても臨界電流密度（Jc）向上に効いていることが最近明らかになっており、高磁場マグネットや加速器などの今後の機器開発への応用が期待される。田中先生から学んだ教訓としては、常に第一線にいるという意識をもつことであり、それが科学技術を伸ばしていく原動力になるということであった。

FSST NEWS No.133＜会議報告 4＞電子情報通信学会 2012 年総合大会
チュートリアルセッション「発見から 50 年 ！
ジョセフソン効果のインパクト」報告
Report on a tutorial session “Impact ofJosephson effect (in commemoration of the 50 th
anniversary of the Josephson effect discovery)”at the 2012 IEICE general conference
産業技術総合研究所
前澤 正明
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
M. Maezawa
昨年、1911年のH. Kamerlingh Onnesによる超伝導現象の発見から100年を記念する多くの講演やシンポジウ
ムなどが国内外で開催されたことは記憶に新しい。引き
続いて本年2012年は、ジョセフソン効果発見の50周年にあたる。ジョセフソン効果は1962 年に B. D. Josephsonが理論的に予言し、翌1963 年にP. W. Anderson とJ. M.
Rowell により実験的に検証された。物理学において巨視的波動関数の位相の意味を明確にし、また応用分野
ではSQUID など超伝導エレクトロニクスの動作原理を与えるなどきわめて重要な現象である。表に示すように発見から50年の節目にあたって、ジョセフソン効果が科学技術に与えてきた影響を検証し、未来の展望を議論することの意義は大きく、シンポジウムや論文誌特集号などが企画されている。本稿では、2012年3月21日に岡山大学で開催された電子情報通信学会総合大会チュート
リアルセッション「発見から50年! ジョセフソン効果のインパクト」の概要を報告する。
表

超伝導の歴史に関する略年表

1911 年
1933 年1935 年1950 年
1957 年

超伝導現象
マイスナー効果
ロンドン方程式
GL 理論
BCS 理論1962 年
1986 年

ジョセフソン効果
高温超伝導

H. Kamerlingh Onnes
W. Meissner, R. Ochsenfeld
F. London, H. London
V. L. Ginzburg, L. D. Landau
J. Bardeen, L. N. Cooper,
J. R. Schrieffer
B. D. Josephson
J. G. Bednorz, K. A. Müller

セッション開始にあたり、前半の座長であるISTEC の日高睦夫氏から座長挨拶があった。日高氏が委員長を務める電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス（SCE）
研究専門委員会が本セッションを企画した経緯と後に続く6件の講演の概要が紹介された。
最初の講演は、京都大学の鈴木実教授から「ジョセフ- 20 -

ソン効果とは」と題するジョセフソン効果の概論であった。
当時大学院生であった Josephson がクーパー対のトンネ
ルを予言する論文を Physical Review誌に投稿したが査読者の J. Bardeen が掲載を拒絶したという有名なエピ
ソードなど歴史的背景に始まり、ジョセフソンの関係式の導出、臨界電流の磁場依存性やシャピロステップの説明などジョセフソン効果の基礎が全般的に解説された。さらに、d 波、p 波超伝導体におけるジョセフソン効果など最近の話題も紹介された。
二番目の講演では、ISTEC の田辺圭一氏が「ジョセフソン接合作製技術の進展」と題して接合作製技術を概説した。IBMのジョセフソンコンピュータープロジェクトで精力的に研究されたが実用には至らなかった鉛合金
接合、IBM プロジェクト終了直後に発見され現在最も広く普及しているNb/AlOx/Nb接合など低温超伝導接合技
術の概略が歴史的経緯を含めて紹介された。さらに、
ISTEC が開発に成功し薄膜積層型 SQUID などへの応用が進められている REBa2Cu3Oy 系ランプエッジ接合を中心に高温超伝導接合技術が解説された。
三番目の講演では、産総研の金子晋久氏から「超伝導技術を基盤にした量子電気標準の現状と展望」と題して電気標準への応用が解説された。ジョセフソン効果と量子ホール効果に基づく電気標準体系が示され、直流および交流電圧標準の原理や研究開発の現状が示された。電圧標準の基礎となるジョセフソン効果の普遍性の実証には本セッションの講演者でもある蔡兆申氏が大きく寄与したことなど興味深いエピソードが紹介された。また、ボルツマン定数の決定に関連するジョンソ
ン雑音温度測定や抵抗標準システムの要素デバイスである極低温電流比較器などへの応用が概説された。
休憩をはさんで座長を筆者（前澤）に交代した後、四番目の講演では、九州大学の円福敬二教授から「SQUID 磁気センサの基礎と応用計測システム」と題してSQUID 応用の現状が概説された。はじめにSQUIDの動作原理、実際のデバイス、周辺エレクトロニクスを含むセンサシステムなどが説明された。次いで、脳磁・心磁計測、免疫検査、低磁界NMR/MRI、超伝導検出器の読み出し回路、非破壊検査、SQUID 顕微鏡、資源探査などSQUIDの応用が幅広く紹介された。
五番目の講演では、名古屋大学の藤巻朗教授より「ジョセフソン効果のデジタル応用」と題してデジタル回路への応用が解説された。ジョセフソン効果発見以前のクライオトロンを第ゼロ世代とし、IBM プロジェクトを中心に開発が進められたラッチング回路を第一世代、
1990年代から研究開発が盛んになった単一磁束量子回路を第二世代と位置づけ、これまでの研究の進展が概説された。さらに、単一磁束量子回路を発展し、徹底的な低消費電力化を目指す回路方式を第三世代とし、ジョセフソンデジタル応用の将来展望が示された。
本セッション最後の講演は、NEC および理研の蔡兆
申氏による「ジョセフソン回路での量子コヒーレンスと情報処理」と題する量子計算応用の解説であった。ジョセ
フソン接合を用いた量子二準位系の構成、それらを応用した量子ビットの各方式、これまでの主要な実験結果などが解説された。また、1999 年に蔡氏のグループが初めて超伝導量子ビットの動作を実証して以来、デコヒーレン
ス時間は 3 年ごとに10 倍に伸びているという「蔡の法則」が示された。また、ジョセフソン効果の完全な双対である
コヒーレント量子位相すべり現象の観測に最近成功した
ことが報告された。

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超伝導科学技術研究会

＜授賞発表＞「第 16 回超伝導科学技術賞」発表
On the 16th Superconductivity Science andTechnology Award
審査委員会 委員長
太刀川恭治
The Chairman of The Selection Committee
K.Tachikawa（1）「第16 回超伝導科学技術賞」にあたって
本賞は、超伝導関連分野における永年の功労者に対する感謝、強いインパクトのある研究の評価、活発な若手への応援、関連企業グループへの精神的支援、学会、官界、報道界からの貢献に対する感謝等の表明を目的としております。平成 9 年に発足してから、これまでの14 年間で100 件を超す合計108 件に達する多くのテーマが受賞されております。
今回の応募に対しては平成 23 年12 月 26 日と同 24
年 2月8日の2 回にわたり第16 回超伝導科学技術賞審査委員会が開かれ、合計16 件の御推薦に対して慎重な審査が行われた結果、6 件（内特別賞 1 件）が選定されました。受賞の運びとなりました各位に心からお祝いを申上げるとともに益々の御活躍をお祈りいたします。
今後もエネルギー問題や新技術開発に関連して超伝導科学技術の重要性が一層増して行くことと考えられます。それに応えるためには、材料の性能向上、プロセスの改善、新材料の探求の他、応用技術の進歩が求められます。本賞もこのような点を重視して授与されております。今後これらの分野で目からうろこが落ちるような進展が生まれることを期待しております。
終わりに今回の賞がいささかでも受賞者各位の功績に報い、またこれからの超伝導分野の一層の活性化に役立って、冒頭に述べた目的に沿うことが出来ましたら誠に幸いに存じます。今後も本賞の公募に対し広い関連分野から多数の応募をいただくことを期待いたしまして今年度の選考経過の御報告といたします。
（2）受賞者、授賞テーマと授賞理由

特 別 賞① 岩佐 幸和 殿について研究を行い、世界をリードする多くの業績をあげた。これらの研究で MgB2 を含む金属系超伝導線材についてその応用の基礎技術を確立し、さらに銅酸化物系超伝導線材についてもそのマグネット応用への導入について貢献した。以上の業績は国際的にもきわめて高い評価を受けている。
一方、長年にわたり超伝導分野の日米協力に対して貢献し、両国の研究協力とレベルアップに多大の成果をあげた。これらの諸業績は超伝導科学技術賞特別賞にふさわしいものとして表彰する。

科 学 技 術 賞

① 平松 秀典 殿、片瀬 貴義 殿、石丸 喜康 殿
「鉄系超伝導体薄膜材料に関する先駆的研究」
受賞者らは鉄系超伝導体において超伝導を示す
SrFe2As2 系エピタキシャル薄膜を世界で初めて実現した。また非ドープ材料でも水分により超伝導が誘起される新現象の発見、BaFe2As2膜での1 MA/cm2 を越える高い臨界電流密度の達成、バイクリスタル接合を利用した
ジョセフソン接合と超伝導量子干渉素子の実現など、世界に先駆けて多くの成果を挙げてきた。さらに受賞者らは、その高品質BaFe2As2 膜成長技術を駆使し、鉄系超伝導体では銅酸化物の 2 倍の傾角まで臨界電流密度が落ちず、また金属テープ基板上においても、単結晶基板上と同等の臨界電流密度を有する薄膜が得られる
ことを示し、鉄系超伝導体の薄膜線材応用の可能性を見いだした。

② 落合 庄治郎 殿、菅野 未知央 殿「高温超伝導線材の機械的特性に関する研究」
落合氏は酸化物高温超伝導線材黎明期から、複合材料力学の素地に立脚して線材機械強度特性の評価・解析に取り組んできた。Bi 系多芯線材について、フィラ
メント破壊挙動を詳細に解析して破壊に至る各段階を推論するとともに、強度特性評価のワイブル分布を用いた統計的処理を提唱する等した。菅野氏は Bi 系、Y 系
等の超伝導線材の機械的特性評価について、引張挙動だけでなく疲労挙動についても試験装置を試作、評価して多くの基礎的データを提供してきた。また、臨界電流の歪依存性に関して、放射光 X 線回折を組み合わせた研究にも取り組んできた。以上のように、高温超伝導線材の機械的特性に関する研究において多くの有益な知見を得た両氏の業績は高く評価される。

「超伝導大型応用の基礎技術開発」
米国 MIT の Francis Bitter マグネット研究所において、半世紀近く一貫して MRI、NMR、核融合、ハイブリッド
マグネット等の各種超伝導大型応用機器の設計、試作
FSST NEWS No.133- 22 -

③ 佐保 典英 殿、松田 和也 殿、西嶋 規世 殿、
田中 弘之 殿「省電力超小型の強力超伝導バルク磁石システムの開発」
溶融凝固法で作製される希土類123 系高温超伝導
バルクは、着磁によって永久磁石よりはるかに高い磁場を発する固体磁石となることから、磁気分離や医療など様々な応用が期待されている。しかし、着磁方法が簡便でなく、また冷却状態の維持に大型の容器と大電力を要することが応用分野を制限し普及の妨げにもなっていた。本受賞者らは独自の発想と技術により、これらの問題を同時に解決する画期的な省電力超小型強力磁石システムの開発に成功した。着磁に超伝導電磁石やパルス磁石ではなくあらかじめ着磁した大型のリング状
バルク磁石を用いることと、冷却システムの改良によって消費電力を大幅に低下させたことが特徴で、3 T 級の強力磁石装置となることが実証されている。以上、本研究成果は、超伝導バルク磁石の斬新なシステムを生み出した意義深いものと位置付けられる。

④ 荻津 透 殿、槙田 康博 殿
「ニュートリノビームライン超伝導磁石システムの開発と安定運用」
本受賞者らは、陽子加速器施設 J-PARC において、
ニュートリノ振動探索実験のための一次陽子ビームライ
ン用超伝導磁石と冷却システムの開発、およびその長期安定運用を推進してきた。これまでに、各要素技術開第16回超伝導科学技術賞

発、加速器ビームライン建設、その動作および精度の確認に成功するとともに、2009 年以来、継続的運転を行ってきた。その間本受賞者らは、『単層コイルでの二極、四極複合磁場超伝導磁石と超臨界ヘリウム強制冷却技術』を融合し、加速器用超伝導磁石応用における実用化のマイルストーンとなるシステムを実現した。この成果は、粒子加速器分野での超伝導応用・低温技術の飛躍的発展および長期運用における安定性、経済性の実証に大きく貢献した。

⑤ 山口 作太郎 殿、浜辺 誠 殿「高温超伝導直流ケーブルシステムの先駆的研究」
電力輸送の高効率化や変動の大きな再生可能エネ
ルギーの普及拡大に役立つ超伝導直流技術に対する関心が高まっている。本受賞者らは実用レベルの特性と量産技術が確立された Bi 系高温超伝導線材の長所と将来性にいち早く着目し、20 mの直流ケーブルシステ
ムを世界に先駆けて開発した。さらに一連の設計製作
技術の最適化、冷却・通電試験などで超伝導直流送電のメリットを実証した。続けて、200 m の直流ケーブルシ
ステムを製作、敷設してフィールド試験を行い実用化へ向け実証的研究を進めている。本受賞者らのグループ
は高温超伝導直流送電の分野で世界をリードし、日本の超伝導研究のユニークな分野を開拓した。この先駆的研究は、近未来の大容量低損失送電システムや将来の地球規模超伝導送電網の実現に向けて欠かせないものであり、本受賞者らの業績は高く評価される。

授賞式（平成24年4月17日）- 23 -

超伝導科学技術研究会

＜研究室紹介＞（1）超伝導のメカニズムや特徴を探る
東京大学大学院理学系研究科・小形研究室（小形正男）
Search for Superconductivity Mechanisms and Characteristics
Masao Ogata Labo in Department of Physics, University of Tokyo（１）研究室紹介
私の研究室は、助教の松浦弘泰さん（阪大三宅研出身）と大学院生は博士課程も含めて大体 6 名程度います（各学年1～2 名）。研究室全体としての方向性は「強相関電子系」ですが、大学院生個人個人の好みによって様々な研究をすることを推奨しています。今までの研究テーマは、銅酸化物高温超伝導体から始まってホットな話
題の超伝導体、有機導体での超伝導やモット絶縁体、フラストレーションのあるスピン系、2 次元ヘリウム 3 の系、重い電子系などです。最近ではさらにグラフェンにおける近藤効果や、単体Biでのディラック電子によるスピン
ホール効果、Ca3PbO という新しい物質におけるディラック電子の予言などということにも手を出しています。理論はお互いに関連する部分も多く、近接の分野での話題やテクニックをよく知っておくことは非常に重要ですので、各人お互いの距離を微妙に保ちつつ楽しくやっています。
研究室の設備としては、写真のようなコンピュータがあれば十分です（冷暖房完備の別室にあります）。理論の基本は未だに紙と鉛筆による計算で、その式を元にコンピュータにかけることがあるという感じです（人によっては激しい数値計算を中心に研究することもあります）。
理論計算の場合、実験事実とは異なって、「ゆるぎない結果」というものはなかなか得られません。（厳密解が得られた場合だけです。）物事の本質を見極めようと、簡単化したモデルを用いますし、計算の途中では様々な近似を用います。得られた結果が実験と合わなければ、モデルが悪いとか近似が悪いとか言われてしまいます。そのため、（ここが難しい所なのですが）アイデアで勝負するしかありません。途中の近似が荒っぽくても、またアヤフヤでも（よくあります）、出発点のアイデアと出てきた結果が面白ければ素晴らしい！ということになっています。実際、超伝導のBCS 理論も、相当大胆な仮定の連続からなっているとも言えます。
超伝導研究は、BCS 理 論から出発して高温超伝導体の研究の歴史を経て、現在ではいろいろなテクニックが完備されています。近似方法としては平均場近似、GL理論、RPA 近似、FLEX 近似（動的なスピン揺らぎなどを考慮した RPA 近似）、実空間を扱えるBogoliubov-de Gennes方程式などです。現在はコンピュータも早くなりソフトも充実していますので、大学院生が 1 か月も頑張れば FLEX などまで簡単にマスターできるという時代になりました。
このためどのようなモデルを立てるか、どのような物性に注目するかというアイデアの勝負になります。
（2）これまでの成果、最近のトピックス
最近我々の研究室で超伝導に関して研究してきたものを挙げますと、高温超伝導のRVB理論の数値的な裏付け（モット転移の本質とRVB理論との関連）、エキゾチックな超伝導の提唱（Sr2RuO4のようにスピン－軌道の入った
場合、有機導体における電荷ゆらぎによる f 波超伝導）、鉄系超伝導体の新奇なメカニズム（少数キャリアによるexitonic なものや、軌道選択モットと関連したもの）、鉄系超伝導体における非磁性不純物近傍での電子状態(STS)によるs+－波とs++波の識別方法の提唱、などです。
理論ばかりで暴走しますとどうしようもなくなりますので、常に実験からのインプットがとても重要です。新しい現象や、面白そうな現象が見つかりましたら、ぜひご相談下さい。

FSST NEWS No.133- 24 -

（3）連絡先研究室のホームページは http://hosi.phys.s.u-tokyo.ac.jp（hosiは星です。もとはsola（空）とかumi（海）とかがあった名残です。）理論の研究者が普段していることを知りたければ「理論物理学者への道」という駄文もあります。
http://hosi.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~ogata/daigakuin.html
煙と理論屋は高い所に上りたがりますので（又は、高い所に追いやられますので）、研究室は理学部 1 号館の 9階にあります。下図のように研究室の窓は東側を向いていて見晴が素晴らしい。上野の山から遠くスカイツリーが真正面に見えます。

（左）院生室と黙々と計算する院生。
（右）左の写真中の窓から見えるスカイツリー。そのふもとの右側に吾妻橋のアサヒビールの黄色いオブジェが小さく見えています。

（2）中部電力株式会社 電力技術研究所 超電導プロジェクト
Chubu Electric Power Co., Inc.
Electric Power Research & Development Center Superconductivity Group（1）研究室紹介
中部電力は、酸化物超電導体が発見されて以来、その電力応用に向けた研究開発を続けている。平成5年には、研究所に超電導専属組織を発足し、電力会社の研究所であるにもかかわらず、材料開発からその応用まで幅広い超電導研究を進めている。材料開発では、イットリウム線材開発に早くから取り組み、世界で初めてCVD法による200 m 長の線材作製に成功し、また、低コスト化を進めるための安価な基板の開発にも成功している。また、酸化物超電導体ならではの大型バルク体の合成にも成功し、それを用いた軸磁気受けの応用として、電力貯蔵用フライホイールの開発も進めた。イットリウム系超電導体を用いた当時世界最大の20 kA 級の電流リードの開発も行った。機器開発においては、超電導電力貯蔵システム（SMES）の研究開発に、平成 3 年度の国家プロジェ
クトスタート時点から参画し、金属系コイルの開発や実系統連系試験の成功など多くの成果を残している。特に、電力会社が中心となって受託したことで、低コスト化を意識した開発を進展させて功績は大きい。また、超電導研究から派生した極低温冷凍機の開発や、磁気変化を利用して空調などに応用を図る磁気ヒートポンプの研究などでも成果が得られている。
（2）これまでの成果、最近のトピックス
上述した成果の中でも、特筆すべき成果として挙げられるのは、SMES 国家プロジェクトの成果も踏まえ、実用化に成功した瞬時電圧低下（瞬低）補償装置である。この装置は、大電力を素早く充放電することが可能な超電導コイルを使用することにより、大規模工場等を一括で補償することができることを特長としており、高電圧化を図った固体絶縁コイルの浸漬冷却を、複数台の小型冷凍機により実現した。2003 年 7 月より、大手電気機器メー
カーの最先端大規模工場にて出力 5 MW 機による実証試験を開始し、2005 年10月からは、世界最大規模となる- 25 -

超伝導科学技術研究会

出力10 MW 機での試験を実施し、これまでに30 回以上の瞬低補償動作が確認されている。日本初の超電導電力機器として、現在も実運用されており、日本国内には同型の装置がほかに 2基運用されている。
また、超電導コイルは、大型化・大容量を図る上で機械的強度を高めることが重要であり、最近、イットリウム系超電導コイルにおいて、新しいコイル構造の開発等により、これまでの常識を覆す高強度コイルの開発に成功した。これにより、同じ大きさで10 倍のエネルギー貯蔵が可能となるコイル技術実現の見通しが得られている。
（3）連絡先
連絡先：平野直樹 Hirano.Naoki@chuden.co.jp
中部電力（株）の技術研究開発に関するホームページアドレス：
http://www.chuden.co.jp/corporate/study/stu_torikumi/index.html

出力10 MW 瞬低補償用SMES（3）山形大学大学院理工学研究科 大嶋・齊藤研究室
Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University
Ohshima and Saito Laboratory（1）研究室スタッフ（H24. 4月現在）
教
授：大嶋 重利
准 教 授：齊藤 敦
技術職員：堺 三洋
秘書：鏡 由美子
学生；修士 2 年生：7名、修士 1 年生：6 名、学部 4 年生：11名（2）研究概要
我々の研究室では、超伝導エレクトロニクスに関して基礎から応用まで一貫して行っている、「超伝導研究」の研究室である。基礎研究では、高温超伝導薄膜や低温超伝導薄膜のエピタキシャル成長技術の確立、積層膜技術の開発、超伝導薄膜への人工ピンの導入手法の開発、超伝導薄膜の低表面抵抗化に関する研究等を主に検討している。応用研究では、高耐電力超伝導フィルタの開発、
NMR 超伝導検出コイルの開発やテラヘルツ波検出用のMKIDs （Microware
Kinetic Inductance Detectors）の開発などを行っている。
（3）特徴ある研究・所有装置○超伝導体のマイクロ波表面抵抗測定装置
高性能な超伝導フィルタ、NMR 超伝導検出コイルを開発するためには、マイクロ波帯で低表面抵抗を有する超伝導体を探索することが重要である。そのためには、超伝導薄膜の表面抵抗を精密に測定することが必要となる。NMR 検出
コイルでは、高磁場中での表面抵抗を評価することが必要である。我々は図1 で示すような装置を試作し、0~5 テスラの磁場中で、21.8 GHz の表面抵抗を精密に測定している。

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図1 高 磁 場 中 で 表 面 抵 抗を測定するシステムの写真○永久磁石を用いた Jc 評価システム
超伝導薄膜やテープ線材の Jc を簡便に、正確に測定することは意外と難しい。我々は、永久磁石を用いて、超伝導薄膜やテープ線材の Jc 分布を短時間に正確に測定できるシステムを構築した。その写真を図 2に示す。
（4）最近の成果
最近の成果を示すデータを図3～5で示す。図3 BZO を添加した YBCO と添加していない YBCO 薄膜の磁場中表面抵抗の測定結果、図4 永久磁石法で測定した YBCO テープ線材の Jc 分布、図5 新たに提案した分割型マイクロストリッ
プ線路フィルタの電流分布シミュレーション。
我々は、大学、研究所、企業等との共同研究、受託研究等を積極的に進めています。測定の依頼や要望等がありましたら、連絡をください。

10K

4

6

21.8GHz5containing BZO(wt %)Jc (MA/cm2)

Surface Resistance (mΩ)

5

0

3
2

1.5 %

4
3
2

Standard measurement
Rapid measurement

1

1
0

0
0

図2 永久磁石を用いたJc 評
価装置の写真

12
3
45Magnetic Field (T)

図3 YBCO薄膜の表面抵抗の
磁場依存性

6

0

10 20 30 40 50
Scanning position (mm)60

図4 テープ線材のJc分布（通常測
定と高速測定）図5 電磁界解析による超伝導フィルタの電流値（5）連絡先〒992-8510 山形県米沢市城南4-3-16 山形大学工学部 電気電子工学科 大嶋重利
Tel:0238-26-3286, ohshima@yz.yamagata-u.ac.jp, http://www.ohshima-lab.yz.yamagata-u.ac.jp- 27 -

超伝導科学技術研究会

（4）九州大学大学院システム情報科学研究院
電気システム工学部門 木須研究室
Kiss Laboratory, Department of Electrical Engineering
Graduate School and Faculty of Information Science and Electrical Engineering
Kyushu University

本研究室では、世界最先端の計測評価技術開発による超伝導材料の特性解明と高性能化、さらにその電力・エネ
ルギー応用のための研究を行っています。研究室は、福岡市西部に位置する
九州大学 伊都キャンパスにあり、超伝導システム科学研究センターの一講座も担っています。国家プロジェクトや民間との共同研究、国際共同研究も積極的に推進すると共に、これらの研究活動を通じて、電気電子工学分野の次代を担う若手研究者、技術者の教育に取り組んでいます。
（１）研究室スタッフ（2012 年 4 月現在）
教授： 木須 隆暢（超伝導システム科学研究センター併任）
准教授： 井上 昌睦、特任准教授： 東川 甲平
技術職員 1 名、秘書 1 名、博士 4 名（内社会人博士 3 名）、修士 9名、卒論生 4 名（２）主要研究テーマ●希土類系（RE-123）高温超伝導線材の特性解明と高性能化
NEDO【イットリウム系超電導電力機器技術開発】の一環として、超電導工学研究所ならびに線材メーカーとの共同研究により、RE-123先進超伝導材料の特性解明に向けた先端計測システムの開発と当該装置を用いた特性評価を実施しています。具体的には、¾ 局所磁束フロー損失計測システム（図 1: 高磁場型低温レーザ顕微鏡）¾ 結晶欠陥位置の可視化システム¾ 局所電流計測システム¾ km 級長尺線材評価システム（図 2: リール式高速磁気顕微システム）など多くの独創的な計測手法を開発するとともに、これらを用いた複合的な評価により、RE-123 超伝導線材の臨界電流制限因子を明らかとし、プロセス開発に貢献しています。
図1に示した、高磁場型低温レーザ顕微鏡では、高温超伝導線材
内部の局所電界損失を μ m オーダーの空間分解能で計測することが可能となります。数テスラの強磁界中の局所損失の可視化は世界初の成果です。また、図 2 に示した、リール式高速磁気顕微システムでは、
長尺テープ線材における面内の臨界電流（Ic ）分布を非接触・非破壊に計測することが可能となります。長尺線材の 2 次元的な Ic 評価を実用的な評価速度（36 m/h）で実現した世界初の装置で、線材の信頼性試験やプロセス条件の最適化、耐加工性の評価などにおいて威力を

図1 高磁場型低温レーザ顕微鏡

図 2 リール式高速磁気顕微システム
FSST NEWS No.133- 28 -

発揮しています。
この他、走査 SQUID 磁気顕微鏡を用いた高感度磁気イメージングによる量子化磁束挙動の計測や、通電法による広範な実用環境下に亘る電流輸送特性の評価、更に、これらの詳細な実験を基に、各種製法により作製されたRE-123超伝導線材の電流輸送特性のデータベース化など、高温超伝導線材の実用性能向上のための総合的な研究を行っています。
●Bi-2223高温超伝導線材の高性能化
JST戦略的イノベーション【次世代鉄道システムを創る超伝導技術イノベーション】の一環として、鉄道き電ケー
ブルへの適用を目的に、Bi-2223線材の高性能化に取り組んでいます。本プロジェクトでは、多芯テープ線材内のフィラメントレベルの電流分布を調べ、局所的な臨界電流密度はフィラメント厚さと相関を持っており、薄いフィラメ
ントほど高い臨界電流密度を有していることを明らかとしました。さらに、長尺線の性能向上に関する研究を開始しています。これらの知見は、線材のフィラメント構成や圧延加工プロセスにフィードバックされています。
●MgB2線材の超伝導特性の解析に関する研究
将来のクリーンエネルギーとして期待される（液体）水素エネルギー利用技術と超伝導技術とを組み合わせると相乗効果が発揮され、再生可能エネルギーの大規模導入を可能とする低環境負荷型の高効率エネルギーインフ
ラが実現すると期待されています。本研究は、JST【戦略的創造研究推進事業（先端的低炭素化技術開発）】の一環として、物質・材料研究機構との共同研究により、その要となる実用レベルの低コスト高性能多芯MgB2超伝導線材、ならびに超伝導接続技術をはじめとする基盤技術の開発に取り組んでいます。
●鉄系超伝導体の電流輸送特性の解明
近年我が国で発見された、鉄系新超伝導体は結晶構造の多様性や化学組成の柔軟性に富むことから、新しい系、新しい構造の超伝導体が生まれる可能性が大きいと期待されています。本プロジェクトではJST【戦略的国際共同研究推進プログラム】の一環として、それぞれ世界トップレベルの技術を有する日本－EU間の研究グループが集結し、多角的な研究を有機的に結び付けながら、鉄系超伝導体のポテンシャルを究明する研究体制を構築
し、実用材料化の観点から性能向上の指針を明らかとすることを目指しています。また、国際共同研究を通じて、日欧間の強固な研究ネットワークを確立すると共に、若手人材の育成に取り組んでいます。
●電力・エネルギー応用を目指した超伝導基盤技術
量子化磁束挙動に関する理論的考察を基に、超伝導線材の電流輸送特性の物理モデルを構築するとともに、動作条件によって複雑に変化する線材特性の定式化・推定法を提出しています。更に、この手法に基づく機器設
計手法の確立に向けた取り組みも行っています。例えば、超伝導線材の電流輸送特性の温度、磁場、磁場印加
角度、機械歪依存性を考慮したマグネットの最適設計を実現しています。
上記のテーマを密接にリンクさせながら、超伝導応用機器毎の使用環境を考慮した先進超伝導材料の開発や高性能化を実現するための研究活動に取り組んでいます。
（3）連絡先木須 隆暢
E-mail: kiss@sc.kyushu-u.ac.jp, Phone: 092-802-3686〒819-0395 福岡市西区元岡744九州大学 伊都キャンパス ウエスト2号館546室
http://super.ees.kyushu-u.ac.jp/※ 超伝導特性の精密測定のための各種評価装置を揃えています。詳細は研究室のホームページもご参照下さい。
研究室の見学は随時受け付けています。また、共同研究の機会などございましたら、お気軽にご連絡下さい。

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超伝導科学技術研究会

（5）京都大学 大学院工学研究科 電気工学専攻 雨宮研究室
Applied Superconductivity Laboratory, Department of Electrical Engineering,
Graduate School of Engineering, Kyoto University（1）研究室スタッフ
雨宮尚之教授、中村武恒准教授、研究員3名、学生14名、事務補佐員（2）研究室の簡単な紹介
電気抵抗がゼロであること、高磁界を発生できることという超伝導の2大メリットを上手に活用できれば、電気工学の様々な分野でのイノベーションが期待できます。我々の研究室では、超伝導材料のミクロスケールの電磁現象およびその発現としてのマクロスケールの電磁特性の解明・把握に立脚し、超伝導を使った、エネルギー効率が高く環境に優しくコンパクト・大容量な電気機器の実現、常伝導では実現困難な医療機器の実現などに向けた研究を展開しています。具体的な応用機器の例として、高温超伝導加速器（医療、環境・エネルギー応用）、高温
超伝導ケーブル、車載用などを目指した高温超伝導モータを3本柱として研究を進めているほか、NMR, MRI用
マグネットの基盤技術、先進電気機器の研究も進めています。
（3）特徴ある装置
図1は加速器用マグネットで重要な磁場精度を評価するためのマグネット多極磁場測定用回転ピックアップコイ
ルシステムと伝導冷却マグネットテストベンチ、図2は交流磁界下で交流電流を輸送する高温超伝導線の交流損失を評価できる交流損失測定システムです。図3には、後述するNEDOプロジェクトにおいて開発した20 kW級高温超伝導誘導同期回転機（HTS-ISM）プロトタイプ機の外観写真を示します。本機によって、車載用HTS-ISMの可能性を実証することに成功しました。これらのほか、薄膜線材の幅方向臨界電流密度分布を評価する磁気ナイ
フ装置、500 A級伝導冷却高温超伝導コイル特性評価装置と磁場印加用2 T大口径冷凍機冷却マグネット、温度可変超伝導線材特性評価装置と磁場印加用10 T冷凍機冷却マグネット、クラスタ型計算サーバ、各種試験用大電流電源（例：2000 A 可変周波数電源、500 A 高安定度電源）などを用いて研究を進めています。

図1：マグネット多極磁場測定用回転ピックアップ
コイルシステムと伝導冷却マグネットテスト
ベンチ

FSST NEWS No.133

図2：交流損失測定システム- 30 -

図3：20 kW級高温超伝導誘導 同 期 回 転 機 （ HTSISM）プロトタイプ機

（4）これまでの成果、最近のトピックス
加速器用高温超伝導マグネットの研究
重粒子線がん治療装置の小型化・高機能化や、暴走の危険を抑え核廃棄物処理にも使える加速器駆動未臨界炉の実現に向けて、加速器用マグネットを高温超伝導化するための研究を推進しています。この研究は、科学技術振興機構の研究成果展開事業「戦略的イノベーション創出推進プログラム」（S-イノベ）に採択されたプロジェ
クト「高温超伝導を用いた高機能・高効率・小型加速器システムへの挑戦」の一環として、東芝、高エネルギー加速器研究機構、放射線医学総合研究所、日本原子力研究開発機構と共同で実施しているものです。我々の研究室はマグネットの磁場設計、線材磁化と磁場精度、高温超伝導マグネットの安定性の研究などを担当しています。
高温超伝導体の交流損失の研究
交流超伝導電気機器の実現に向けて、交流損失の低減は大きな鍵となります。電磁現象を可視化し交流損失を計算する電磁現象シミュレーション、電気的方法・熱量法による交流損失の実測といったアプローチにより、交流損失の研究を進めています。特に、イットリウム系超電導電力機器技術開発プロジェクトにおいては、超伝導電力ケーブルの交流損失低減に取り組み、ケーブル構造と線材特性が交流損失特性に与える影響を明らかにし、交流損失に関するプロジェクト目標値達成に貢献してきました。また、最近ではニュージーランドのIndustrial
Research Limitedと共同で高温超伝導Roebelケーブルの交流損失についても研究しています。
高温超伝導誘導同期回転機の研究
高温超伝導誘導同期回転機（High Temperature Superconducting Induction/Synchronous Machine: HTS-ISM）の研究開発を実施しています。本回転機は、かご形誘導機の簡易な構造ながら同期トルクを有するなど、既存機に対して様々なメリットを有しています。当研究室では、HTS-ISMの基礎研究を推進するとともに、電気駆動式自動車、発電機、直流電気鉄道、液体水素移送ポンプなど、様々な応用研究開発を実施してきました。特に、車載用HTS-ISMについては、新エネルギー・産業技術総合開発機構の委託事業（平成21年度省エネルギー革新技術開発事業（第二次公募））として研究を推進し、特質すべき成果を上げています。
（5）連絡先、ホームページアドレス等
連絡先（メールアドレス）：prof@asl.kuee.kyoto-u.ac.jp（雨宮）、tk_naka@kuee.kyoto-u.ac.jp（中村）ホームページアドレス：http://www-lab04.kuee.kyoto-u.ac.jp/（6）求人
ポスドク募集中、お問い合わせは雨宮（recruit@asl.kuee.kyoto-u.ac.jp）まで。

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超伝導科学技術研究会

一般社団法人未踏科学技術協会超伝導科学技術研究会

第79回ワークショップ「３．１１ 震災を乗り越えて」
２０１１年 ３月 １１日の東日本大震災。これは日本に大きなダメージを与えただけでなく、超伝導技術・低温技術の関係者に与えた影響も大きかったのではないでしょうか。ただ、ここに立ち止まってばかり居るだ
けではなく、この震災の経験を生かし大きく前に進む必要があります。そこで、本ワークショップでは震災で起きたこと（事故）および、その事故からの復旧されたあるいは復旧途中の超伝導システムに焦点を当て、そこから抽出される課題を検証議論し、今後の対策に役立てることを目的としてワークショップを開催致します。超伝導・低温技術に携わられている皆様だけでなく、これらにご興味をお持ちの方々を含めて多数の参加をお待ちしております。
主協日
場

催：一般社団法人 未踏科学技術協会 超伝導科学技術研究会
賛：公益社団法人 低温工学・超電導学会(予定)時：平成 24 年 ７月 19日(木) 13:30-17:45
所：全日通霞が関ビルディング 大会議室B http://www.neu.or.jp/html/map/〒100-0013 千代田区霞が関 3-3-3 TEL 03-3581-2261
定 員：120名
参加費：■超伝導科学技術研究会員：参加費無料、資料代 2,000円■協賛学会：参加費 4,000円、資料代 2,000円■一般：5,000 円、資料代 2,000円■学生：参加費無料、資料代 2,000円

プ ログ ラム (案 )13 : 30-13 : 35 開会の挨拶

下山 淳一（東京大学）

13 : 35-14 : 15 NMRの被災、復旧の現状、今後の課題

清水 禎（物質・材料研究機構）

14 : 15-14 : 55 J-PARCでの被災、復旧の現状、今後の課題
槙田 康博（高エネルギー加速器研究機構）
14 : 55-15 : 35 MRIの被災状況とそこから見えてきた課題
野口 隆志（物質・材料研究機構）
15 : 35-15 : 50 休憩
15 : 50-16 : 20 超伝導ケーブルシステムと震災

山口作太郎（中部大学）

16 : 20-16 : 50 免震・制震対策の実情

西 敏夫（東京工業大学）

16 : 50-17 : 40 パネルディスカッション：極低温機器に要求される安全対策
17 : 40-17 : 45 閉会の挨拶

木村 茂行（未踏科学技術協会）

参加申込はこちらから： http://www.sntt.or.jp/~fsst/20120719.html
問 い 合 わ せ 先： 一般社団法人 未踏科学技術協会 超伝導科学技術研究会 担当 大貫Phone: 03-3503-4681 Fax: 03-3597-0535 e-mail: fsst@sntt.or.jp
FSST NEWS No.133- 32 -

研 究 会 の 動 き〔平成 23 年 （2011 年) 10 月 1 日～平成 23 年 （2011 年) 12 月 31 日〕
第16回超伝導科学技術賞審査委員会
平成 23年度第 2回
日 時：平成 24年 2月 8 日（水）13:30～15:30
場 所：学術総合センター11 階 共用会議室
出席者： 委員 9 名 事務局 1 名
議事：(1) 第16回超伝導科学技術賞の確定(2) 第16回超伝導科学技術賞の授賞理由の検討
幹事会
平成 23年度第 6回
日 時：平成 24年 2月 8 日（水）15:40～17:30
場 所：学術総合センター11 階 共用会議室
出席者：幹事 9 名 事務局 1名
議事：(1) 第 78 回ワークショップについて(2) 第 79 回ワークショップについて(3) 第 38 回シンポジウムについて(4) 第 16 回超伝導科学技術賞について(5) 平成 23 年度収支決算見込み及び平成 24 年度収
支予算について(6) 平成 24年度事業計画について(7) FSST NEWSについて

第78回ワークショップ
日 時：平成 24年 3月13日（火）13:30-17:45
場 所：東京大学 本郷キャンパス 武田ホール
テーマ：再生可能エネルギー導入へ向けた超伝導・低温技術
参加者数： 86名
プログラム：
13:30-13:40 開会の挨拶
下山淳一（東京大学）
13:40-14:40 風力発電の現状と将来展望
勝呂幸男（日本風力エネルギー学会）
14:40-15:20 電力貯蔵技術の現状と将来
大和田野芳郎（産業技術総合研究所）
15:30-16:10 超伝導応用機器開発の現状と将来
大崎博之（東京大学）
16:10-16:40 超伝導電力機器用冷却システムの現状と今後
池内正充（前川製作所）
16:40-17:10 再生可能エネルギーにおける超伝導伝送システム
向山晋一（古河電気工業）
17:10-17:40 総合討論
17:40-17:45 閉会の挨拶
木村茂行（未踏科学技術協会）

国内超伝導関連会議
Conferences related to Superconductivity (Domestic)
会

議

名

日

付

開催場所

主催及び問合せ先
応用物理学会

応用物理学会／秋季

H24.9.11～9.14

愛媛大学城北地区(愛媛県松山市文京町)
松山大学文京キャンパス(愛媛県松山市文京町)

日本物理学会／秋季

H24.9.18～21

横浜国立大学(神奈川県横浜市保土ヶ谷区)

日本物理学会H24.9.17～19

愛媛大学城北地区(愛媛県松山市文京町)
松山大学文京キャンパス(愛媛県松山市文京町)

日本金属学会

日本金属学会／秋期- 33 -

超伝導科学技術研究会

国際会議及び国外の主要な会議
Conferences related to Superconductivity (International/Abroad)
会

議

名

日

付

開催場所

主催及び問合せ先ICEC-ICMC2012

2012.5.14～5.18

Fukuoka(Japan)http://www.icec24-icmc2012.org/

M2S20122012.7.29～8.3

Washington, D.C.
(USA)

www.m2s-2012.org

ASC20122012.10.7～10.12

Portland, OR(USA)

www.ascinc.org

ISS20122012.12.3～12.5

Funabori(Japan)www.istec.or.jp/ISS/main_J.html

超伝導科学技術研究会 編集委員会 委員
松本

荒井

伊豫

明善

独立行政法人 物質･材料研究機構
超伝導線材ユニット 主任研究員

有気

公益財団法人 鉄道総合技術研究所
浮上式鉄道技術研究部
低温システム研究室 研究員

彰

独立行政法人 産業技術総合研究所
電子光技術研究部門
超伝導エレクトロニクスグループ
主任研究員

FSST NEWS No.131

勉

昭和電線ケーブルシステム株式会社
技術開発センター
超電導線材開発グループ グループ長

日高睦夫

公益財団法人国際超電導産業技術研究センター 超電導工学研究所
デバイス研究開発部
低温デバイス開発室 室長

木村

茂行

小泉

大貫留美子

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一般社団法人未踏科学技術協会
理事長
一般社団法人未踏科学技術協会
事務局長

FSST NEWS No.133- 36 -