金属中の電子：量子力学的に振舞う

超伝導体のジョセフソン効果

を観測して固体電子の量子現象を学ぶ

課題演習　 B3　「固体電子の量子現象」

課題演習　 B3 　「固体電子の量子現象」担当： 松田祐司　教授、 芝内孝禎　准教授、　笠原成　助

教固体電子物性研究室（松田研） http://kotai2.scphys.kyoto-u.ac.jp/

最も基本的な例：トンネル効果

課題演習　 B3　「固体電子の量子現象」

トンネル効果とは

電子の「壁打ち」

トンネル効果が現れる物理現象　• 原子核の α 崩壊• エサキダイオード（トンネルダイオード）• 走査トンネル顕微鏡 (STM)• 超伝導体のジョセフソン効果など

「電子は自分が持っているエネルギー以上の壁を通り抜けられる（トンネルできる）」

課題演習　 B3　「固体電子の量子現象」

当時大学院生だったジョセフソンにより予言1973 年　ノーベル賞

二つの超伝導体をつなげる“ マクロな波動関数”を“弱く”つなげると、、

21 sinI

2

1

01

10

2

1

HHHH

ti

ジョセフソン効果

超伝導電子対(Cooper pair) がトンネルし、超伝導電流が流れる

課題演習　 B3　「固体電子の量子現象」

シャピロステップ電流電圧特性

一定電圧をかけると、、teVI

2sin

行ったり来たり振動する！

超伝導体中の電子がマクロな

一つの波動関数で書けることの証明

超伝導体、超流動ヘリウムで実際に観測された

周波数が e/ħだけで決まるから電圧標準として採用されている

ジョセフソン効果

課題演習　 B3　「固体電子の量子現象」

錫玉を用いた Josephson Junction の実験実際のセットアップの写真

錫玉を使ったジョセフソン素子0.012

0.010

0.008

0.006

0.004

0.002

0.000

-0.002

-0.004

-0.006

-0.008

-0.010

I (A

)

1.00.50.0-0.5V (mV)

4.2 K 3.6 K 3.4 K 3.2 K 2.9 K 2.6 K 2.2 K 1.6 K

0.010

0.009

0.008

0.007

0.006

0.005

I (A

)

12.011.010.09.08.07.06.05.04.03.02.01.00.0

V / (f *h/2|e| )

10GHz, 15dBm 10GHz, 5dBm 10GHz, -5dBm

自分たちで量子効果を体験するe

V2

Sn: Tc = 3.7 K

ジョセフソン効果の観測

課題演習　 B3　「固体電子の量子現象」の進め方

• 実験

ジョセフソン素子の作製！　

ジョセフソン接合の電流ー電圧特性とシャピロステップの観測

　低温電子物性に関する基礎的な実験技術の習得

　量子力学についての理解を深める

課題演習　 B3　「固体電子の量子現象」

問い合わせ：　芝内孝禎（ 5-238 号室　内線 3785 ）

　　　　　　　　　 笠原成 （ 5-239 号室　内線 3777 ）

固体電子物性研究室　 http://kotai2.scphys.kyoto-u.ac.jp/

• ゼミ

固体電子、超伝導に関する量子現象についてレビュー（輪講形式）

金属中の電子とそこでのトンネル現象についての理解

“ 弱く”結合した二つの超伝導体が示すジョセフソン効果の理解

• レポート提出

0.036

0.034

0.032

0.030

0.028

0.026

0.024

0.022

0.020

dI/d

V(O

hm-1

)

-10 -5 0 5 10

Voltage(mV)

1.8 K4 K6.6 K7 K10 K

　フォトリソを使った Nb-Al2O3-Nb トンネル接合素子の作製

超伝導ギャップの直接観測

低温センター　寺嶋研究室のクリーンルームを用いた微細加工技術の習得

なかなか良い接合を作るのは難しい