結合したジョセフソン接合で超伝導ダイオードを実現：コヒーレント結合で新機能を開拓

理化学研究所（理研）らの国際共同研究グループは、2つのジョセフソン接合をコヒーレント結合させた素子で、「超伝導ダイオード効果」を発現させることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

超伝導ループ内に埋め込まれたJJ2の位相差を、磁場の大きさで制御

　理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター量子機能システム研究グループの松尾貞茂研究員や樽茶清悟グループディレクターらによる国際共同研究グループは2023年8月、2つのジョセフソン接合をコヒーレント結合させた素子で、「超伝導ダイオード効果」を発現させることに成功したと発表した。

　研究グループは、パデュー大学のマイケル・マンフラ教授らによるグループが作製した半導体（インジウムヒ素）基板上に、「JJ1」および「JJ2」という2つのジョセフソン接合を作製し、これらを結合した。JJ1およびJJ2は1つの超伝導電極を共有し、超伝導体にはアルミニウムを用いた。

　試作した素子は、JJ2が超伝導体のループ内に埋め込まれた構造となっている。ジョセフソン接合を流れる超伝導電流の大きさは、2つの超伝導電極間の位相差によって変化する。この位相差は超伝導ループ内を貫く磁場で決まるため、超伝導ループ内の接合であるJJ2の位相差は、磁場の大きさによって制御できるという。

上図は実験に用いた素子と結果の概念図。下図は素子を上から見た模式図［クリックで拡大］ 出所：理研

　そこで研究グループは、磁場を制御しながら10mK（約−273℃）という極低温環境で、ループ外にあるJJ1の電子輸送を測定した。実験結果から、電流方向が正と負の場合について、その臨界電流を絶対値で評価した。これにより、JJ1における臨界電流の絶対値が、磁場に対して周期的に振動していることを確認した。この動きは、JJ1とJJ2が「コヒーレント結合」していることを意味するという。

　また、コヒーレント結合に伴って、正と負における臨界電流の絶対値が異なる磁場領域も系統的に現れることを確認した。このことは、「超伝導ダイオード効果」が発現していることを意味しており、JJ2の位相差を制御すれば、超伝導ダイオード効果の発現が可能になることが分かった。特に、臨界電流の絶対値が小さくなる磁場領域で、超伝導ダイオード効果が強く発現することを確認した。磁場の大きさを変えていくと、系統的に臨界電流の絶対値は大小関係が反転することも判明した。

　研究グループは、超伝導ダイオード効果が、JJ1とJJ2のコヒーレント結合によって生じたことを検証するため数値計算を行った。この結果、実験と同様の効果が得られることを証明した。さらに、実験で得られた、「臨界電流の小さな領域で超伝導ダイオード効果が強く発現する」「位相差の変化に対応して系統的に臨界電流の絶対値の大小関係が反転する」といった特長も、数値計算の結果において再現できることが分かった。

上図は実験で得られた臨界電流の絶対値と磁場の関係。下図は計算で得られた臨界電流の絶対値とJJ2の位相差との関係［クリックで拡大］ 出所：理研