JPS5928074B2 - ジヨセフソン電圧標準装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ジョセフソン素子に個有の特性を利用して正
確な電圧値を得るようにしたジョセフソン電圧標準装置
に関し、特に、複数個のジョセフソン素子を環状に順次
に接続してなる超伝導閉回路を用いて高い電圧領域にお
ける精密電圧標準装置が得られるようにしたものである
。

この種ジョセフソン電圧標準装置としては、従来、第１
図Ａに示すように１個のジョセフソン素子Ｊに、あるい
は、第１図Ｂに示すように順次に直列に接続した複数個
Ｎのジョセフソン素子Ｊ’に、直流電流Ｉと高周波電流
ｉとを同時に供給し、供給した高周波電流ｉの周波数ｆ
に比例したつぎのような１１係式によつて表わされる一
定直流電圧Ｖが得られるようにしていた。

すなわら、Φ０ Ｖ＝ｎ・−・ ｆ（１） ２π ここに、ｎは正の整数、Φ０は磁束量子＝２．０７×１
０−１５Ｗｂをそれぞれ表わす。

しかして、上述のように供給した高周波電流の周波数に
比例した一定直流電圧りが得られる理由としては、ジョ
セフソン素子Ｊ、Ｊ’においては、直流電流Ｉの増加と
ともに各素子内ボ流の位相の回転が生じ、その回転数に
比例した直流電圧が誘起するが、直流電流工に重畳して
高周波電流ｉを供給すると、その高周波電流の周波数に
素子内電流の位相の回転が同期する現象が生じ、したが
つて、供給した高周波電流の周波数に比例した一定直流
電圧が発生することになる。

超伝導金属層の間に薄い絶縁層を介在させた形態のジョ
セフソン素子が呈するかかる現象を利用して標準電圧値
が得られるようにしたジョセフソン電圧標準装置は、供
給した高周波電流の周波数ｆの安定度が１０−”゛程度
まで得られるので、得られる直流電圧Ｖも同じく１０−
１２程度の安定度を得ることができ、したがつて、従来
から電圧の国家標準として用いられている。しかしなが
ら、従来のこの種ジョセフソン電圧標準装置においては
、上述した（１）式のｉ男係によつて得られる直流電圧
りは、供給した高周波電流の周波数ｆをｆ＝１０１０Π
ｚとしても、ｎ＝１においては電圧値Ｖ＝２０１ｔＶと
極めて低い電圧となり、かかる電圧値ＶをＩＶ程度の使
用し易い電圧値とするために、周波数ｆを極めて高くす
るか、あるいは、整数ｎを極めて大きくするかの二つの
方法が従来考えられていた。

し力化、高周波数電流の周波数ｆを継続して安定に極め
て高い値に保持することは高周波技術的に困難であるの
で、従来、（１）式における整数ｎを大きく設定し得る
ようにする方法が種々検討されて来た。しかして、第１
図Ａに示したように１個のジョセフソン素子を単独で用
いた場合には、一般に、電流Ｊと電圧Ｔとの関係は、周
知のようにつぎの（ａ）式によつて表わされる。

ここに、ＶＯは高周波電流１によつて発生する高周波電
圧、％はπと一πとの間の定数、Ｊｎはベツセル関数で
あり、ψ０，ｆ，ｎは前述したとおりに、それぞれ磁束
量子、高周波電流１の周波数、正の釜数である。

この（ａ）式において のときには時間ｔに関する項が零となるので、電流』は
直流電流１となり、電圧グは一定直流電圧となり、（ｂ
）式はＶ＝Ｎｌ７−０ −ＦＩと表わされ、（１）式が
得られる。

上述したところに基づき、第１図Ａに示したジヨセフソ
ン素子Ｊに周波数１０ＧＨｚの高周波電流１を供給した
ときに得られる電流』と電圧ぴとの関係を実測した結果
は第２図に示すようになつた。

すなわら、１個のジ］セフソン素子を単独で用いた場合
には、（１）式における整数ｎを順次に大きく設定した
ときに、第２図の電流電圧特性曲線に実線で示したよう
に、整数ｎが大きくなるに従つて所要の一定直流電圧値
Ｖが得られる電流値の範囲が狭くなり、電圧標準装置と
しての動作に余裕がなくなるという難点があつた。また
、第１図Ｂに示したようにＮ個のジヨセフソン素子を直
列に接続した場合には、Ｎ個のジヨセフソン素子を互い
に直列に接続したことにより、１個のジヨセフソン素子
によつて得られる電圧値のＮ倍の値を有する一定直流電
圧が得られるようにする方法が種々検討されて来たが、
その場合、互いに直列に順次に接続したＮ個のジヨセフ
ソン素子のすべてが同じ電圧値を発生させるという保証
は全く得られず、したがつて、（１）式における整数ｎ
の値に任意性が生ずるので、電圧標準装置として使用す
るには難点があつた。

本発明の目的は、上述した従来の欠点乃至難点を除去し
、高い電圧値の出力直流電圧を得るにも、広い電流領域
に亘り、正確かつ安定に動作し得るようにしたジヨセフ
ソン電圧標準装置を提供することにある。

すなわち、本発明ジヨセフソン電圧標準装置は、少なく
とも３個のジヨセフソン素子を環状に順次に接続してな
る超伝導性閉回路を有し、その超伝導性閉回路内の１個
の前記ジヨセフソン素子に直接に直流電流および高周波
電流を供給することにより、前記１個のジヨセフソン素
子の両端に供給した前記高周波電流の周波数に比例した
値を有する直流電圧を発生させるようにしたことを特徴
とするものである。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

まず、本発明ジヨセフソン電圧標準装置の動作原理につ
いて説明するに、第３図に示すように、１個のジヨセフ
ソン素子Ｊ１とＮ個のジヨセフソン素子Ｊ２とを互いに
並列に接続してなる超伝導閉回路において、それら１個
およびＮ個のジヨセフソン素子Ｊ１およびＮＸＪ２の並
列接続点に直流電流と高周波電流１とを同時に供給した
場合には、ジヨセフソン素子Ｊ１およびＪ２に流れる電
流の位相をそれぞれＹ１およびＹ２とすると、閉回路中
を電流が一周するとその位相はもとに戻らなければなら
ないという一般的性質に従つて、次式の関係が成立する
。すなわち、図示の超伝導閉回路における各ジヨセフソ
ン素子に流れる電流の位相は自由に回転することなく、
（２）式の条件に束縛された状態のもとに回転するので
あるから、かかる位相ロツク状態において各ジヨセフソ
ン素子Ｊ１およびＪ２にそれぞれ発生する直流電圧も相
互間に一定の関係を有する状態で発生することになり、
したがつて、順次に直列に接続したＮ個のジヨセフソン
素子Ｊ２においても、第１図Ｂに示したようなＮ個のジ
ヨセフソン素子の直列接続回路のみに直流電流および高
周波電流を同時に供給した従来の場合のように、各ジヨ
セフソン素子に発生する直流電圧を表わす（１）式中の
整数ｎが任意の値をとるがために、各直列素子に同じ電
圧を安定確実には発生させ得ない、という問題は、完全
に解消されることになる。

上述のように構成した本発明による超伝導閉回路におい
ては、上述した条件の位相束縛により、単一接続のジヨ
セフソン素子に供給する電流』とそのジヨセフソン素子
に発生する電圧ｖとの関係は、第１図Ａに示した単独の
ジヨセフソン素子につき前述した（ａ）式とは異なり、
つぎの（ｃ）式によつて表わされる。

この式（ｃ）においても、前述した（ａ）式におけると
同様に、のときに、第１項における時間ｔに関する項が
零となつて、一定直流電圧Ｖ−ｎ−・ｆ１が得られると
ともに、のときにも、第２項における時間ｔに関する項
が零となつて、一定直流電圧＝ＮＮＬ二・ｆ１が得られ
る。

しかも（ｃ）式の第２項におけるベツセル関数Ｊｎの変
数（−ー一・？）は第１項におけるベツ１へ Ｍｔ
乙Ｉ＆
１セル関数Ｊｎの変数（一・′ｔ／ｏ）に比して一だ
けときに、同様に広い電流領域が得られることも確認し
た。

一方、Ｎ個直列に接続したジヨセフソン素子Ｊ２に直流
電流１の供給によつて流れる電流の位相の回転に基づい
ては、かかる場合に適用する（１）式中の整数ｎをＮＮ
としたときに、整数ＮＮ−ＮＸＮに対応して（１）式に
よつて決まる直流定電圧が得られる電流値の領域は、ジ
ヨセフソン素子Ｊ１について設定した上述の整数ｎに対
応した広い電流領域を有する直流定電圧が発生するよう
になる。

すなわら、１個のジヨセフソン素子に流れる電流の位相
の回転が遅い範囲、したがつて、整数ｎが小さく、（１
）式によつて決まる直流定電圧Ｖが低い範囲においては
、その直流定電圧が得られる電流値の領域は広いが、ジ
ヨセフソン素子に流れる電流の位相回転が速い範囲、し
たがつて、整数ｎが大きく、（１）式によつて決まる直
流定電圧が高い範囲においては、その直流定電圧が得ら
れる電流値の領域が格段に狭くなること、第２図につき
前述したとおりである。一方、本発明による超伝導閉回
路においては、（２）式による位相束縛の条件のもとに
、Ｎ個直列接続のジヨセフソン素子Ｊ２に流れる電流の
位相回転は、上述したように、単一接続のジヨセフソン
素子Ｊ１に流れる電流の位相回転に比して、その１Ａの
値まで遅くなり、したがつて、単一接続のジヨセフソン
素子Ｊ１に発生する直流定電圧を決める（１）式中の整
数がＮＸＮに相当する大きい値になつて、そのジヨセフ
ソン素子Ｊ１に流れる電流の位相回転が極めて速い状態
になつたときにおいても、Ｎ個直列接続のジヨセフソン
素子Ｊ２に発生する直流定電圧を決める（１）式中の整
数値は、ジヨセフソン素子Ｊ１についての上述した整数
値ＮＸＮに対し、その１／Ｎの整数値ｎに対応した遅い
位相回転をする電流がそのジヨセフソン素子Ｊ２に流れ
るのであるから、そのジヨセフソン素子Ｊ２に発生する
直流定電圧は、整数値ｎに対応した広い電流領域をもつ
て発生することになる。

また、ジヨセフソン素子Ｊ２に流れる電流の位相回転は
、ジヨセフソン素子Ｊ１に流れる電流の位相回転に比し
て、その１Ａの格段に遅い値となるのであるから、順次
に直列に接続したＮ個のジヨセフソン素子Ｊ２中におけ
る個々のジヨセフソン素子Ｊ２に発生する直流定電圧値
は、単一接続のジヨセフソン素子Ｊ１に発生する直流定
電圧値の１／Ｎとはなるが、Ｎ個直列接続における全電
圧値は、単一接続のジヨセフソン素子Ｊ１に発生する電
圧値に等しくなる。したがつて、本発明による超伝導閉
回路において順次に直列に接続するジヨセフソン素子の
個数Ｎを増大させることにより、広い動作市流領域を有
する一定の直流高電圧を高い安定度をもつて容易に発生
させることができる。

第３図に示した等価回路により上述したように動作する
超伝導閉回路からなる本発明ジヨセフソン電圧標準装置
の具体的な構成の例を第５図Ａ，Ｂに示す。

図示の具体的構成は第３図に示した等価回路における各
ジヨセフソン素子Ｊｌ，Ｊ２を、いずれも、絶縁薄層を
介在させた超伝導薄膜Ｓ１およびＳ２により構成したも
のであり、同図Ｂに示すように、シリコン、ガラス等よ
りなる基板１上に例えばＮｂ薄膜よりなる厚さ１μｍ程
度の超伝導グランドプレーン２を被着形成して、外部か
らの磁束や電磁波に対する遮蔽を構成し、その超伝導グ
ランドプレーン２の表面を厚さ２００λ程度まで酸化し
て電気絶縁を施したうえで、その表面上に同図Ａに示す
構成配置にして、例えば鉛Ｐｂ等よりなる超伝導薄膜（
Ｓ１）４を蒸着し、さらに、その超伝導薄膜（Ｓ１）４
の表面を厚さ２０人程度に薄く酸化してジヨセフソン接
合構成用の絶縁薄層５を形成し、その絶縁薄層５の上に
同じく鉛Ｐｂ等よりなる超伝導薄膜（Ｓ２）６を蒸着し
て、第３図示の等価回路における各ジヨセフソン素子Ｊ
，，Ｊ２を構成する。し力化て、上側の超伝導薄膜（Ｓ
２）６は、同図Ａに示した上面図から明らかなように、
各ジヨセフソン素子Ｊｌ，Ｊ２を順次に環状に接続して
超伝導閉回路を構成するように、相隣る２個の下側超伝
導薄膜（Ｓ１）４の酸化表面５およびそれら２個の下側
超伝導薄膜（Ｓ１）４の中間に露出した超伝導グランド
プレーン２の酸化表面３に沿つて連続した蒸着膜の形態
に被着形成する。しかして、各ジヨセフソン素子Ｊｌ，
Ｊ２を、例えば一辺６０ｔｔｍの正方形状に構成するに
は、２素子を構成する下側超伝導薄膜（Ｓ１）４を例え
ば幅１００μｍ、長さ１２０μｍ以上の長方形状に被着
形成するとともに、２素子を構成する上側超伝導薄膜（
Ｓ２）６を例えば幅６０μｍ１長さ１２０μｍ以上の長
方形状に被着形成することになる。同図Ａに示した構成
例においては、上述のようにして１６個のジヨセフソン
素子を順次に環状に接続して超伝導閉回路を構成し、単
一接続のジヨセフソン素子Ｊ１を構成する下側超伝導薄
膜Ｓ１−０をそれぞれ図示のように延在拡張させて端極
板をそれぞれ構成し、それらの端極板に電圧端子Ｖａ，
Ｖｂを設けて直流定電圧を取出すようにするとともに、
それらの端極板間に直流電流１を供給し、かつ、例えば
同軸給電線ＣＣを接続して例えば２０ＧＨｚの高周波電
流１を供給することにより、所期の一定値を有する直流
定電圧を安定かつ容易に発生させることができる。以上
の説明から明らかなように、本発明によれば、多数個の
ジヨセフソン素子を環状に接続して構成した超伝導閉回
路により、広い動作電流領域を有する安定な直流高電圧
を容易に発生させて、実用するに好適な高い電圧値が得
られるジヨセフソン電圧標準装置を容易に実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂは従来のジヨセフソン電圧標準装置の構成
をそれぞれ模式的に示す等価回路図、第２図は同じくそ
の動作の態様を示す特性曲線図、第３図は本発明ジヨセ
フソン電圧標準装置の動作原理を示す等価回路図、第４
図は同じくその動作の態様の例を示す特性曲線図、第５
図ＡおよびＢは同じくその具体的構成の例をそれぞれ示
す平面図および縦断面図である。 １・・・・・・基板、２・・・・・・超伝導グランドプ
レーン、３，５・・・・・・酸化絶縁膜、４，６・・・
・・・超伝導薄膜、Ｊ，Ｊ′，Ｊｌ，Ｊ２・・・・・・
ジヨセフソン素子、・・・・・・直流電圧計、Ｓｌ，Ｓ
２，Ｓｌ−０，Ｓ２−０・・・・・・超伝導薄膜、Ｖａ
，Ｖｂ・・・・・・電圧端子、ＣＣ・・・・・・同軸給
電線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも３個のジョセフソン素子を環状に順次に
   接続してなる超伝導性閉回路を有し、その超伝導性閉回
   路内の１個の前記ジョセフソン素子に直接に直流電流お
   よび高周波電流を供給することにより、前記１個のジョ
   セフソン素子の両端に供給した前記高周波電流の周波数
   に比例した値を有する直流電圧を発生させるようにした
   ことを特徴とするジョセフソン電圧標準装置。