[論文レビュー] Induction of dc voltage, proportional to the persistent current, by external ac current on system of inhomogeneous superconducting loops

S. V. Dubonos, В. И. Кузнецов+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、非対称なミクロスコピック超伝導ループにおいて、外部の交流電流が直流電圧を誘導することを示しており、その電圧は恒久電流に比例し、磁束量子単位で周期的に入り、磁束に応じて振動する。この効果は、ループの非対称性と交流電流振幅に対する電圧の非単調的依存性に起因する動的抵抗状態における整流作用に起因し、20個のループを直列に接続することで最大300 μVの電圧が合成可能である。

ABSTRACT

A dc voltage induced by an external ac current is observed in system of asymmetric mesoscopic superconducting loops. The value and sign of this dc voltage, like the one of the persistent current, depend in a periodical way on a magnetic field with period corresponded to the flux quantum within the loop. The amplitude of the oscillations does not depend on the frequency of the external ac current (in the investigated region 100 Hz - 1 MHz) and depends on its amplitude. The latter dependence is not monotonous. The observed phenomenon of rectification is interpreted as a consequence of a dynamic resistive state induced by superposition of the external current and the persistent current. It is shown that the dc voltage can be added in system of loops connected in series: the dc voltage oscillations with amplitude up to 0.00001 V were observed in single loop, up to 0.00004 V in a system of 3 loops and up to 0.0003 V in a system of 20 loops.

研究の動機と目的

• 臨界温度Tcに近い温度で観測された非対称な超伝導ループにおける直流電圧の周期的振動の起源を解明すること。
• 外部の交流電流が恒久電流に比例する直流電圧を誘導できるかどうかを特定すること。
• 信号検出の感度向上を目的として、複数の非対称ループを直列に接続した場合の電圧合成の可能性を検討すること。
• 動的抵抗状態および電流分布の非対称性が、整流された直流電圧を生成する上で果たす役割を明確化すること。

提案手法

• 直径4 μm、厚さ40 nm、非対称幅（0.2 μmの狭い部分、0.4 μmの広い部分）を持つアルミニウムの非対称ループを3個および20個用いた。
• 可変な振幅の外部交流電流（100 Hz – 1 MHz）を印加し、サブマイクロボルト解像度で電位接触間の直流電圧を測定した。
• ヘリウム-4冷凍機を用いて1.2 Kから1.28 Kの温度範囲で測定を行い、Tc ≈ 1.3 Kに近い状態で制御された磁束密度下で実験を実施した。
• 磁束量子Φ/Φ₀を関数としての電圧振動を解析し、周期的依存性（周期h/2e）を示した。
• 動的抵抗状態（R_l > 0 かつ I_p ≠ 0）における時間平均電圧を用いて整流効果をモデル化した。V ≈ (V_dc,n ΔΘ_n - V_dc,w ΔΘ_w)/Θ を用いた。
• 狭い部分および広い部分で、電流が臨界閾値を超える時間割合ΔΘ_nおよびΔΘ_wを計算し、電圧の非単調的依存性を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部の交流電流が非対称な超伝導ループに直流電圧を誘導できるか。また、その電圧は恒久電流に比例するか。
• RQ2 誘導された直流電圧の振幅が交流電流振幅に対して非単調的になるのはなぜか。
• RQ3 直流電圧の磁束依存性は、恒久電流の振動とどのように関係しているか。
• RQ4 複数の非対称ループを直列に接続することで、直流電圧を増幅できるか。
• RQ5 この系において交流電流が直流電圧に整流される物理的メカニズムは何か。

主な発見

• 単一の非対称超伝導ループにおいて、恒久電流に比例する直流電圧が誘導され、磁束に対して周期的（Φ₀単位）に振動した。
• 直流電圧の振幅は外部交流電流の周波数（100 Hz – 1 MHz）に依存せず、交流電流振幅が増加するに従い最大値に達するまで増加し、その後減少した。
• 電圧振幅の非単調的依存性は、電流分布の非対称性および動的抵抗状態における時間平均電圧に起因するとされた。
• 電圧の合成は実験的に確認された：単一ループで10 μV、3ループで40 μV、20ループのシステムで最大300 μVに達した。
• 観測された整流効果は、R_l > 0 かつ I_p ≠ 0 である動的抵抗状態において、超伝導ループが接続状態の間をスイッチングすることに起因すると解釈された。
• 直流電圧誘導の臨界交流電流振幅は、温度がT_cに近づくにつれてゼロに近づく傾向を示し、微弱な電気的ノイズに対する高い感度を示した。