高温超伝導量子干渉デバイスの作製及び雑音特性に関する研究

高温超导量子干涉器件制备及噪声特性研究

• 批准号: 05750303
• 负责人: 陳 健
• 金额: $ 0.58万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1993
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1993 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05750303/
• 关键词: 酸化物高温超伝導体; 超伝導量子干渉デバイス(SQUID); 低周波1; f; 粒界ジョセフソン接合; 臨界電流ゆらぎ; 温度ゆらぎ; 磁束ゆらぎ

人間の脳の神経活動によって生ずる低周波磁気信号は、約0.1 以下と低周波地磁気のさらに1億分の1以下と極めて弱い。現在のところリアルタイムでこれらの微弱な磁気信号を検出できるセンサーは超伝導量子干渉デバイスいわゆるSQUID磁束計以外にない。ニオブ(Nb)のような金属系超伝導体を用いた低温SQUIDでは既に 10fT程度の磁場まで測定できるようになっており実際に脳磁場計が開発されている。但し、これを動作させるためには液体ヘリウム(温度:4.2K)による冷却が不可欠でありこれがシステムの大型化、高価格化を招き、普及を妨げる要因となっている。ところで、1986年の酸化物高温超伝導体の発見によって超伝導デバイスにおいて動作温度を液体窒素温度(77K)程度上昇させることを可能にした。本研究は生体磁気信号を検出するため、77Kで安定動作する高温SQUID応用を実現することを目指し、高温SQUIDの形状設計、作製及びその雑音発生機構の解明を行った。本申請者は、自分らが開発したバイクリスタル基板上にエピタキシャル成長したYBCO人工粒界ジョセフソン接合を用い、ワッシャー型DC-SQUIDの形状選定や実験結果と設計値との比較、校正等の方法で、設計パラメーター及び計算式を確定した。これらの結果を基づいて最適化した77Kで安定動作SQUIDは、再現性や対称性良く、最大出力電圧約24muV 、最大磁束-電圧変換効率約68muV/phi_0の高い価が得られた。また、申請した超低雑音増幅器等を用いて、高温SQUIDの低周波1/f雑音の発生機構を調べたところ、その雑音の主な原因は磁束ゆらぎではなく、SQUIDを構成するジョセフソン接合の臨界電流ゆらぎであることを判明した。今後、これらの成果を基に、高温SQUIDの固有雑音発生機構をさらに解明し、雑音レベルを減少させていくことが重要な課題である。

人脑神经活动产生的低频磁信号极其微弱，大约小于0.1，甚至不到低频地磁的百万分之一。目前，除了超导量子干涉装置（即所谓的SQUID磁力计）之外，还没有任何传感器可以实时检测这些微弱的磁信号。使用铌 (Nb) 等金属超导体的低温 SQUID 已经能够测量高达约 10 fT 的磁场，并且实际上已经开发出了脑磁力计。然而，为了运行该系统，必须使用液氦（温度：4.2K）进行冷却，这使得系统变得更大且更昂贵，这是阻碍其广泛使用的因素。顺便说一下，1986年高温氧化物超导体的发现，使超导器件的工作温度提高到液氮温度（77K）左右成为可能。在本研究中，我们旨在实现在77K下稳定工作的高温SQUID在生物磁信号检测中的应用，设计和制造了高温SQUID并阐明了其噪声产生机制。申请人使用其开发的双晶衬底上外延生长的YBCO人工晶界约瑟夫森结，进行了垫圈型DC-SQUID形状的选择、实验结果与设计值的比较、校准等方法，最终确定了设计参数和计算公式。基于这些结果优化的在77K下稳定工作的SQUID具有良好的再现性和对称性，最大输出电压约为24μV，最大通量电压转换效率约为68μV/phi_0。另外，当我们利用我们申请的超低噪声放大器研究高温SQUID中低频1/f噪声的产生机制时，我们发现噪声的主要原因不是磁通量波动，而是磁通量波动。构成SQUID的约瑟夫森结原来是临界电流波动。未来，基于这些结果，进一步阐明高温SQUID的固有噪声产生机制并降低噪声水平将具有重要意义。

项目成果

Jian Chen: "Flicker(1/f)noise of YBCO grain boundary DS SOUIDs" Advances in Superconductivity (proc.of ISS'93). (発表予定).

陈健：“YBCO 晶界 DS SOUID 的闪烁（1/f）噪声”超导进展（ISS93 的程序）（待提交）。

山下 努: "高温超伝導体のSQUIDへの応用" 電子情報通信学会論文誌 C-II. J76-C-II. 343-350 (1993)

Tsutomu Yamashita：“高温超导体在 SQUID 中的应用”IEICE Transactions J76-C-II 343-350 (1993)。