超電導デバイス

超電導デバイスは、広く使用されていませんが、標準的な半導体デバイスにはない独自の特性を備えています。電気信号の増幅、磁場の検出、および光の検出に関する高感度は、貴重なアプリケーションです。現時点ではコンピュータには適用されていませんが、高速スイッチングも可能です。従来の超電導デバイスは、0ケルビン（-273 ^o ）の数度以内に冷却する必要があります C）。ただし、現在、高温超伝導体の研究が進んでいます。 ベースのデバイス、90K以下で使用可能。安価な液体窒素を冷却に使用できるため、これは重要です。

超電導デバイス

超伝導

超伝導： ヘイケ・オンネスは超伝導を発見しました 1911年に水銀（Hg）で、彼はノーベル賞を受賞しました。ほとんどの金属は、温度の低下とともに電気抵抗を低下させます。ただし、0ケルビンに近づくと、ほとんどの抵抗がゼロに減少することはありません。水銀は、その抵抗が4.2 Kで突然ゼロΩに低下するという点で独特です。超伝導体は、臨界温度T未満に冷却されると、すべての抵抗を突然失います。 _c 超電導の特性は、導体の電力損失がないことです。電流は、何千年もの間、超電導線のループを流れる可能性があります。超伝導体には、鉛（Pb）、アルミニウム、（Al）、スズ（Sn）、ニオブ（Nb）が含まれます。

クーパー対

クーパー対： 超伝導体の無損失伝導は、通常の電子の流れによるものではありません。通常の導体内の電子の流れは、剛直なイオン性金属結晶格子との衝突として反対に遭遇します。温度の低下に伴って結晶格子の振動が減少すると、抵抗がある程度まで減少します。格子振動は絶対零度で停止しますが、電子と格子とのエネルギー散逸衝突は停止しません。したがって、通常の導体は絶対零度ですべての抵抗を失うことはありません。

超伝導体の電子は、クーパー対と呼ばれる電子対を形成します。 、温度が超伝導が始まる臨界温度を下回ると。クーパー対は、不対電子よりもエネルギー準位が低いために存在します。 フォノンの交換により、電子は互いに引き付けられます。 、振動に関連する非常に低エネルギーの粒子。このクーパー対、量子力学的実体（粒子または波）は、通常の物理法則の対象ではありません。この実体は、固定格子を構成する金属イオンに遭遇することなく、格子を通って伝播します。したがって、エネルギーを消費しません。クーパー対の量子力学的性質により、連続的に変化する量ではなく、離散的な量のエネルギーを交換することができます。エネルギーの絶対最小量子は、クーパー対に受け入れられます。結晶格子の振動エネルギーが小さい場合（低温のため）、クーパー対はそれを受け入れることができず、格子によって散乱することができません。したがって、臨界温度下では、クーパー対は妨げられることなく格子を流れます。

ジョセフソン接合とトランジスタ

ジョセフソン接合： ブライアンジョセフソンは、1962年のジョセフソンジャンクションの予測でノーベル賞を受賞しました。 。ジョセフソン接合は、下の図（a）に示すように、薄い絶縁体でブリッジされた1対の超伝導体であり、電子がトンネルすることができます。最初のジョセフソン接合は、絶縁体でブリッジされた鉛超伝導体でした。最近では、アルミニウムとニオブの3層が好まれています。超伝導体にゼロ電圧が印加されていても、電子は絶縁体を通り抜けることができます。

接合部に電圧が印加されると、電流は減少し、電圧に比例した高周波で発振します。印加電圧と周波数の関係は非常に正確であるため、標準ボルトはジョセフソン接合の発振周波数で定義されています。ジョセフソン接合は、低レベルの磁場の超高感度検出器としても機能します。また、マイクロ波からガンマ線への電磁放射にも非常に敏感です。

（a）ジョセフソン接合、（b）ジョセフソントランジスタ。

ジョセフソントランジスタ： ジョセフソン接合の酸化物に近い電極は、容量結合によって接合に影響を与える可能性があります。上の図（b）のこのようなアセンブリは、ジョセフソントランジスタです。ジョセフソントランジスタの主な特徴は、コンピュータなどの高密度回路に適用できる低消費電力です。このトランジスタは通常、SQUIDやRSFQなどのより複雑な超電導デバイスの一部です。

超伝導量子干渉計（SQUID）

イカ： 超伝導量子干渉デバイス または SQUID 超電導リング内のジョセフソン接合の集合体です。この議論では、DCSQUIDのみが考慮されます。このデバイスは、低レベルの磁場に非常に敏感です。

下の図の両方のジョセフソン接合と並列に、定電流バイアスがリング全体に強制されます。磁場が印加されていない場合、電流は2つの接合部間で均等に分割され、リングの両端に電圧は発生しません。 [JBc]磁束（Φ）の任意の値をSQUIDに適用できますが、超伝導リングの開口部を流れることができるのは、量子化された値（磁束量子の倍数）のみです。[JBa]適用された磁束がない場合磁束量子の正確な倍数である場合、過剰な磁束はリングの周りの循環電流によってキャンセルされ、磁束量子が生成されます。循環電流はその方向に流れ、磁束量子の倍数を超える過剰な磁束をキャンセルします。磁束量子の±（1/2）まで、適用された磁束に加算または減算することができます。循環電流が時計回りに流れる場合、電流は上部のジョセフソン接合に追加され、下部の接合から減算されます。印加磁束を直線的に変化させると、循環電流が正弦波として変化します。[JBb]これは、SQUIDの両端の電圧として測定できます。印加される磁場が増加すると、磁束量子によって増加ごとに電圧パルスがカウントされる場合があります。[HYP]

超伝導量子干渉デバイス（SQUID）：超伝導リング内のジョセフソン接合ペア。磁束が変化すると、JJペア全体に電圧変動が生じます。

SQUIDは10 ^-14 に敏感であると言われています テスラ、10 ^-13 で脳内の神経電流の磁場を検出できます テスラ。これを30x 10 ^-6 と比較してください 地球の磁場のテスラの強さ。

ラピッドシングルフラックスクォンタム（RSFQ）

高速単一フラックス量子（RSFQ）： RSFQ回路は、シリコン半導体回路を模倣するのではなく、新しい概念に依存しています。超伝導体内の磁束量子化と磁束量子の動きにより、ピコ秒の量子化電圧パルスが生成されます。磁束は、離散倍数で量子化された超伝導体のセクション内にのみ存在できます。許容される最低の磁束量子が採用されます。パルスは、従来のトランジスタの代わりにジョセフソン接合によって切り替えられます。超伝導体は、臨界温度が9.5 Kで、5Kに冷却されたアルミニウムとニオブの3層に基づいています。

RSQFは100GHz以上で動作し、消費電力はほとんどありません。製造は既存のフォトリソグラフィー技術で簡単です。ただし、操作には5Kまでの冷蔵が必要です。実際の商用アプリケーションには、アナログ-デジタルおよびデジタル-アナログコンバーター、トグルフリップフロップ、シフトレジスタ、メモリ、加算器、および乗算器が含まれます。[DKB]

高温超伝導体

高温超伝導体： 高温超伝導体 は、77 Kの液体窒素沸点を超える超伝導を示す化合物です。液体窒素は容易に入手でき、安価であるため、これは重要です。ほとんどの従来の超伝導体は金属です。広く使用されている高温超伝導体は銅酸化物です。 、銅（Cu）の混合酸化物、たとえばYBa ₂ Cu ₃ O _7-x 、臨界温度、T _c =90K。他のリストが利用可能です。[OXFD]このセクションで説明するデバイスのほとんどは、それほど重要ではないアプリケーション向けに高温超伝導体バージョンで開発されています。従来の金属超電導体デバイスの性能はありませんが、液体窒素冷却の方が利用可能です。

レビュー：

• ほとんどの金属は絶対零度に近づくにつれて抵抗を減少させます。ただし、抵抗は0に低下しません。超伝導体は、冷却時に臨界温度で抵抗がゼロに急速に低下します。通常、T _c 絶対零度から10K以内です。
• クーパー対、電子対、量子力学的実体は、金属結晶格子内を妨げられることなく移動します。
• 電子は、一対の超伝導体を横切る絶縁ギャップであるジョセフソン接合を通り抜けることができます。
• 接合部の近くに3番目の電極またはゲートを追加すると、ジョセフソントランジスタが構成されます。
• SQUID、超伝導量子干渉デバイスは、磁場の高感度検出器です。超伝導リング内の磁場の量子単位をカウントします。
• RSFQ、ラピッドシングルフラックス量子は、超伝導ループ内に存在する磁気量子のスイッチングに基づく高速スイッチングデバイスです。
• 高温超伝導体、T _c 液体窒素の沸点を超える場合は、このセクションの超電導デバイスを構築するためにも使用できます。