ゼロ磁場下で超伝導ダイオード効果を磁化制御：極性構造を有する超格子を利用

京都大学らによる研究グループは、薄膜積層方向に極性構造を有する超格子において、ゼロ磁場下で超伝導ダイオード効果を磁化制御することに成功した。今回の成果は、超低消費電力の不揮発性メモリや論理回路の実現に貢献するとみられる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

不揮発性メモリや論理回路へ応用、超低消費電力を実現へ

　京都大学らによる研究グループは2023年8月、薄膜積層方向に極性構造を有する超格子において、ゼロ磁場下で超伝導ダイオード効果を磁化制御することに成功したと発表した。今回の成果は、超低消費電力の不揮発性メモリや論理回路の実現に貢献するとみられる。

　消費電力が極めて低い電子回路の実現に向けて、超伝導ダイオードの研究が進んでいる。ところが、これを動作させるためには外部磁場や複雑な磁気状態の制御が必要で、ダイオード効果の効率も低く、これまでは実用レベルに達していなかったという。そこで、超伝導ダイオード効果が発現する微視的なメカニズムを調査することにした。

　研究グループは今回、空間反転対称性の破れた超伝導体としてニオブ（Nb）、バナジウム（V）、タンタル（Ta）、プラチナ（Pt）および、 鉄（Fe）からなる超格子をスパッタリング法で作製した。そして、薄膜積層方向に極性構造を有する超格子試料を細線形状に加工。その上で、電流源と電圧計を用い4端子電気抵抗測定を行った。

　実験では、超格子面内で電流と直交する方向に外部磁場を印加し、Feに由来する磁化の方向を変化させながら、電気抵抗の直流電流依存性を調べた。この結果、超格子は超伝導と強磁性が共存するだけでなく、超格子の臨界電流密度は磁化と印加電流の方向によって異なり、クーパー対に作用する交換相互作用とスピン軌道相互作用を顕在化させることが分かった。これによって、磁化の角度に依存する巨大な非相反の臨界電流密度（非相反臨界電流密度）を観測できたという。

左図は極性超格子を用いた実験の試料配置イメージ図。右図は4端子電気抵抗測定に用いた極性超格子素子の光学顕微鏡図［クリックで拡大］ 出所：京都大学

ゼロ磁場下における非相反臨界電流密度の磁化制御の例（1.9K）。左図は磁化の回転方向と測定の模式図。右図は磁化の角度に依存する非相反臨界電流密度［クリックで拡大］ 出所：京都大学

　研究グループは、巨大な非相反臨界電流密度を利用し、ゼロ磁場における超伝導-常伝導スイッチングを実証することに成功した。この時、超伝導ダイオード効果の効率は40％を超えたという。

ゼロ磁場下における超伝導ダイオード効果の効率とその温度依存性［クリックで拡大］ 出所：京都大学

　今回の研究は、京都大学化学研究所の成田秀樹特定助教や小野輝男教授らによる研究グループと、同研究所の島川祐一教授、菅大介同准教授、同大学大学院理学研究科の柳瀬陽一教授および、新潟大学工学部の石塚淳助教らが共同で行った。