NIMSと東大、原子層超伝導体に形成されるジョセフソン接合を発見

　

　物質・材料研究機構(NIMS)と東京大学は12月11日、シリコン表面上に形成した原子レベル厚さの超伝導体において、原子1個分の高さの段差(原子ステップ)が超伝導電流の流れを制御するジョセフソン接合として働くことを発見したと発表した。

　同成果は、NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の吉澤俊介ポスドク研究員、内橋隆MANA研究者、中山知信主任研究者、川上拓人ポスドク研究員、古月暁主任研究者、東京大学 物性研究所のKim Howonポスドク研究員、長谷川幸雄准教授らによるもの。詳細は、米国物理学会誌「Physical Review Letters」にEditors’ Suggestionとして近日中に掲載される予定。

　最近発見されたシリコン表面上の原子層超伝導体は、究極の微小サイズである原子スケール厚さの超伝導ナノデバイスを実現する可能性を秘めている。しかし、デバイス作製のためには、超伝導演算素子において不可欠な要素であるジョセフソン接合を作製する必要があり、その方法は未解決のままだった。

　今回、研究グループは、走査トンネル顕微鏡を用いた実験と微視的な理論計算によって、原子層超伝導体の原子ステップに超伝導量子渦の一種であるジョセフソン量子渦という特殊な超伝導状態が発生することを発見した。そして、これにより、原子ステップがジョセフソン接合として働くことを明らかにした。この結果は、原子層超伝導体を用いると、従来の超伝導素子では個々に作製していたジョセフソン接合を自己組織化的に速く大量に作製できることも意味しているという。

　今後、この成果を利用して、原子レベルの厚さしかないジョセフソン素子を創製し、超伝導デバイスへの応用を目指す。また、電力応用が期待される高温超伝導体では、ジョセフソン量子渦が重要な働きをすることが知られている。今回の成果は、高温超伝導体の超伝導特性の解明にも寄与することが期待されるとコメントしている。

　走査トンネル顕微鏡で観察した原子層超伝導体の3次元表示。図の高さは試料の高さ情報に、明るさは試料の局所電子状態密度にそれぞれ対応する。段差になっている原子ステップの近傍で明るくなっている領域に超伝導量子渦が存在している。A、B、Cの違いはジョセフソン接合の強さの変化に起因し、ステップ近傍でのインジウム原子層の隙間の幅の違いによって生じる。特に、Cはジョセフソン量子渦と同定される。矢印は、超伝導電流の流れを模式的に示し、ジョセフソン結合が弱くなるにつれて渦がステップ方向に伸張することを表す