オランダのライデン大学が3Dプリントの超伝導装置を発明

出典：江蘇省レーザー産業イノベーション連盟

ジョセフソン接合は超伝導エレクトロニクスの基礎であり、精密測定や量子コンピューティングに優れた応用があると言われています。ジョセフソン接合の製造は、フォトリソグラフィーとウェットプロセスを伴う、リソースを大量に消費する多段階のプロセスであり、多くのアプリケーションには対応していません。そこでオランダのライデン大学の研究者たちは、わずか数分でジョセフソン接合効果を応用した超伝導デバイスを3Dプリントする方法を発明した。

ジョセフソン接合、超伝導トンネル接合とも呼ばれます。これは通常、S（超伝導体）-I（半導体または絶縁体）-S（超伝導体）構造など、非常に薄いバリア層（厚さ≤クーパー電子対のコヒーレンス長）で挟まれた2つの超伝導体で構成される構造であり、SISと呼ばれます。超伝導電子はトンネル効果によって半導体または絶縁膜を一方から他方へ通過することができます。しかし、実際には、弱く結合した（結合領域サイズ≦クーパー電子対コヒーレンス長）超伝導体が２つあれば、ジョセフソン接合を形成でき、トンネル接合という形をとる必要はありません。（出典：百度百科事典）

ジョセフソン効果は、マクロな量子状態が、その波動関数が部分的に重なり合うことを可能にする媒体によって分離されるときに発生します。この現象は、超伝導電極の巨視的波動関数が何らかの障壁を介して結合されるジョセフソン接合で発生します。従来の電子デバイスとは異なり、電流は電位差によって駆動されます (つまり、ジョセフソン接合内の電荷輸送は、超伝導電極の量子力学的位相の差によって決定されます)。電流位相関係により、ジョセフソン接合は、散逸のない輸送の効率と量子干渉測定の精度を組み合わせることができます。今日、ジョセフソン接合は、イメージングや信号処理用の高感度検出器から量子回路や超伝導コンピューティングまで、多くの分野で不可欠なコンポーネントです。たとえば、超伝導量子干渉デバイス (SQUID) は、超伝導量子干渉デバイスとも呼ばれ、非常に感度の高い磁力計です。これらの機器はジョセフソン効果によって動作し、科学や工学の幅広い用途があります。

これまで、ジョセフソンデバイスの製造は複数のステップからなるプロセスでした。これは通常、薄膜堆積とその他の構造化/パターン化ステップの組み合わせであり、フォトリソグラフィプロセス（レジストスピンコーティングやエッチングなど）や集束イオンビームへの露出が含まれる場合があります。これらの手順は、超伝導デバイスの潜在的な用途と必ずしも互換性があるわけではありません。たとえば、壊れやすい基板や非平面表面にレジストを塗布できない場合や、イオンビームへの曝露や液体への浸漬がシステムに悪影響を与える場合などです。現在、ジョセフソンデバイスを製造するための非破壊的な直接書き込み方法は存在しません。

この研究では、研究者らは電子ビーム誘起堆積法（EBID）を使用してジョセフソン接合を「印刷」するワンステップの付加的技術を導入した。EBID法では、電子ビームを走査して前駆体分子を局所的に解離させ、それを表面に吸着させる。製造プロセス全体は、ガス注入システムを備えた走査型電子顕微鏡 (SEM) で実行され、品質管理やデバイスの修理にも直接アクセスできます。完全なジョセフソン接合はわずか数分で印刷できます。外部電子機器との接点を除き、EBID ジョセフソン接合では薄膜堆積やその他の処理 (アニーリング、化学物質やイオンビームへの曝露など) は必要ありません。これにより、磁気測定用の超伝導量子干渉デバイス (SQUID) などの高感度検出器を、既存の構造物の任意の場所に追加する非侵襲的な手段が提供されます。

▲ 金電極（黄色）と接触しているタングステン線（赤色）の疑似カラー走査型電子顕微鏡写真。スケールバーは 500 nm に対応します。
▲EBIDジョセフソン接合の疑似カラー顕微鏡写真。 W-C 弱リンク (紫) は、金接点 (黄色) に印刷された 2 つの超伝導 W-C 電極 (赤) を接続します。スケールバーは1μmを表します。挿入画像は、弱リンク材料を堆積する前に撮影されたもので、超伝導電極を分離し、弱リンクの有効長さを表す 160 nm のギャップを示しています。
研究者らは、EBID 調整可能材料の特性を利用して、超伝導電極と金属の弱リンクを備えた全近接接合を一度に作成し、ジョセフソン結合を調整しました。これらの接合のジョセフソン動作は、マイクロ波誘起シャピロ応答と磁場依存伝送によって確立され、特徴付けられます。

コンピューターチップ上に超伝導デバイスを作るのは、特殊な装置の使用を必要とし、完了するまでに数日かかる、複数のステップから成る厳しいプロセスであることが判明しました。電子ビーム誘起堆積法 (EBID) を使用して、SQUID の重要な部分であるジョセフソン接合を印刷すると、電子顕微鏡内でわずか数分でほぼあらゆる表面にジョセフソン接合を印刷できます。研究者らの取り組みは、従来のナノファブリケーションに代わる多用途で非破壊的な代替手段を提供し、3次元の超伝導センサーアレイや量子ネットワークの印刷にも応用できる可能性がある。

出典: Tycho J. Blom 他「走査型電子顕微鏡によるジョセフソン接合の直接書き込み印刷」ACS Nano (2020)。DOI: 10.1021/acsnano.0c03656

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