課題演習 B3 「固体電子の量子現象」

Report
課題演習 B3 「固体電子の量子現象」
担当: 松田祐司 教授, 笠原裕一 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
トンネルスペクトル測定
によって
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」
超伝導体におけるトンネル効果(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   H 1
H 1   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」
ジョセフソン効果の観測
0.012
スズ(Sn)を使ったジョセフソン素子
0.010
0.008
0.006
(~2013年度)
I (A)
Sn: Tc = 3.7 K
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
シャピロステップの観測
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
自分たちで量子効果を体験する

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」
Nb-AlOx-Alによるトンネル接合素子の作製
超伝導ナノ薄膜素子の作製
dI/dV (a.u)
(2014年度)
 クリーンルームでのナノ薄膜素子作製実習
 3He温度(T ~ 300 mK) までの極低温測定
VB (V)
状態密度を測る!
トンネルスペクトルによる
超伝導エネルギーギャップの直接観測
従来型および非従来型の超伝導
における準粒子励起の理解
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輪講
超伝導の現象論、微視的理論、準粒子励起の理解
•実験 ジョセフソン素子や超伝導ナノ薄膜によるトンネル接合素子の作製
極低温電子物性に関する基礎の習得
超伝導エネルギーギャップと準粒子励起の観測
超伝導研究(従来型、非従来型)や
強関電子系の物理に対する窓口
問い合わせ: 松田祐司(5-240号室 内線3790)
笠原裕一(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/
超伝導体におけるトンネル効果(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!
I  sin
2eV

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」

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