Transcript 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/
金属中の電子：量子力学的に振舞う
最も基本的な例：トンネル効果
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」
トンネル効果とは
電子の「壁打ち」
「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）」
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
課題演習 B3 「固体電子の量子現象」
ジョセフソン効果
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、、
  1   H 0
i    
t   2   H1
H1  1 
 
H 0   2 
超伝導電子対
(Cooper pair)がトンネルし、
超伝導電流が流れる
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
I  sin1  2 
課題演習 B3 「固体電子の量子現象」
ジョセフソン効果
一定電圧をかけると、、
行ったり来たり振動する！
2eV
I  sin
t

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
超伝導体、超流動ヘリウムで実際
に観測された
電流電圧特性 シャピロステップ
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
課題演習 B3 「固体電子の量子現象」
ジョセフソン効果の観測
0.012
錫玉を使ったジョセフソン素子
0.010
0.008
0.006
Sn: Tc = 3.7 K
I (A)
0.004
0.002
0.000
4.2 K
3.6 K
3.4 K
3.2 K
2.9 K
2.6 K
2.2 K
1.6 K
-0.002
-0.004
-0.006
-0.008
-0.010
-0.5
0.0
0.5
1.0
V (mV)
0.010
10GHz, 15dBm
10GHz, 5dBm
10GHz, -5dBm
0.009
自分たちで量子効果を体験する
0.008
I (A)
錫玉を用いたJosephson Junction の実験
実際のセットアップの写真
0.007
V 
0.006

2e
0.005
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0
V / (f *h/2|e| )
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」の進め方
•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
•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
•レポート提出
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）
課題演習 B3 「固体電子の量子現象」
固体電子物性研究室 http://kotai2.scphys.kyoto-u.ac.jp/
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
0.036
1.8 K
4K
6.6 K
7K
10 K
0.034
0.032
-1
dI/dV(Ohm )
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
0.030
0.028
0.026
0.024
なかなか良い接合を
作るのは難しい
0.022
0.020
-10
-5
0
Voltage(mV)
5
10