一方にのみ電気抵抗がゼロになる超伝導ダイオード効果を観測――エネルギー⾮散逸な電⼦回路の実現へ 京都大学

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京都大学は2020年8月20日、非対称構造を有する超伝導人工格子において、一方向にのみ電気抵抗がゼロとなる超伝導ダイオード効果を初めて観測したと発表した。エネルギー損失の極めて小さい電子回路の開発への貢献が期待できる。

ダイオードは、順方向に電流をよく流すが、逆方向にはほとんど流さない素子だ。整流器、混合器、光検出器など数多くの電子部品に半導体ダイオードが利用されている。しかし、半導体の電気抵抗はゼロでない有限の値を持っており、各部品のエネルギー損失の問題が避けられない。そのため、ダイオードの特性を電気抵抗ゼロの超伝導体に付与した超伝導ダイオードの実現が望まれていた。

そこで研究グループは、ニオプ(Nb)層、バナジウム(V)層、タンタル(Ta)層から構成される非対称構造を持つ超伝導人工格子において、臨界電流の大ささが電流方向に依存することを発見し、超伝導ダイオード効果を実証した。

研究では、空間反転対称性の破れた超伝導体として、スパッタ法でNb、V、Taから成る人工格子を成膜。この薄膜試料を細線形状に加工し、電流源と電圧計を用いた実験配置で子電気抵抗測定を実施した。薄膜面内に加え、電流と直交する方向に外部磁場を印加し、電気抵抗の直流電流依存性を調査したところ、印加電流の方向により、Nb/V/Ta人工格子の臨界電流が異なることが判明。順方向(実線)と逆方向(点線)の臨界電流の大小関係が、外部磁場の符号により決まることも分かった。

Nb/V/Ta人工格子を用いた試料の光学顕微鏡図と4端子電気抵抗測定の実験配置

温度4.2Kで測定した抵抗の直流電流依存性

次に、この非相反的な臨界電流を利用して、電流方向と磁場方向に応じて超伝導一常伝導スイッチングできることを実証し、超伝導ダイオードとしてNb/V/Ta人工格子が機能することを明らかにした。ダイオードの方向は、0.02T(テスラ)という比較的小さな磁場で切り替えられるという。

電流方向、磁場方向による超伝導一常伝導スイッチングの例(4.2K)

今回観測された超伝導ダイオード効果は、エネルギー非散逸かつ方向制御できる電荷輸送技術の確立に大きく貢献できる。今後は、電子回路への応用の観点から、より詳細なダイオード性能評価、物質探索を実施することが考えられる。しかし、臨界電流の非相反性のメカニズムについて不明瞭な点が多くあることから、実験と理論の両面から解明することが求められる。

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