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Noise Properties of Mesoscopic Superconductor-Constriction-Superconductor Systems

(超伝導メソスコピック系のノイズ特性)

氏名 ハトル マイケル
学位の種類 博士(工学)
学位記番号 博甲第110号
学位授与の日付 平成7年3月24日
学位論文の題目 Noise Properties of Mesoscopic Superconductor-Constriction-Superconductor Systems(超伝導メソスコピック系のノイズ特性)
論文審査委員
 主査 教授 濱崎 勝義
 副査 教授 高橋 勲
 副査 教授 高田 雅介
 副査 助教授 川田 重夫
 副査 東北大学 教授 山下 努

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TABLE OF CONTENTS
ACKNOWLEDGEMENTS p.i
LIST OF SYMBOLS AND ABBREVATIONS p.iv
I. INTRODUCTION p.1
I.1 General Context of he Study p.1
I.2 Aims and Development of the Present Study p.4
I.3 Outine of the Thesis p.6
II.TRANSPORT PROCESSES AND FLUCTUATION PHENOMENA IN SUPERCONDUCTING POINT CONTACTS p.8
II.A Theories of Voltage-Carrying and Stationary States Based on Andreev Reflection p.8
II.A.1 Superconductor-Normal Metal Point Contact p.9
II.A.1.1 The Influence of the Proximity Effect p.10
II.A.1.2 The Influence of Gap Suppression and Geometrical Resonance Effects p.13
II.A.1.3 The Influence of Charge Imbalance p.14
II.A.1.4 The Influence of Scattering p.16
II.A.2 Superconductor-Normal Metal-Superconductor Junction p.19
II.A.2.1 The KBT and OTBK Models p.20
II.A.2.2 Arnold's Model of General SIS System p.23
II.A.2.3 Kummel's Model of SNS System p.24
II.A.2.4 Influence of Scattering in SNS Devices p.27
II.A.3 Stationary Effects in SNS Systems p.29
II.A.3.1 Dirty Weak Links p.30
II.A.3.2 Clean Weak Links p.33
II.B Fluctuation Phenomena in Superconducting Point Contacts p.35
II.B.1 White Voltage Noise in Classical Point Contacts p.35
II.B.2 Shot Noise Quantum and Quasi-Quantum Point Contacts p.39
II.B.3 Low-Frequency Noise p.47
II.B.3.1 Models of 1/f Noise p.48
II.B.3.2 Review of Experiments on 1/f Noise and its Constituents in Josephson Junctions and Quantum Point Contacts p.54
III.EXPERIMENTAL TECHNIQUES AND COMPUTER SIMULATION p.60
III.A Fabrication Techniques p.60
III.A.1 Device "A" p.61
III.A.2 Device "B" p.63
III.B Measurement Techniques p.66
III.B.1 Methods for Basic Device Characterization p.66
III.B.2 Noise Measurement Schemes p.70
III.B.3.1 Measurements using the Tank Circuit p.71
III.B.3.2 Direct Scheme p.72
III.b.3.3 Flux-Locked Loop p.73
III.C Computer Simulation p.77
III.C.1 BTK-based Simulation FOR_SN p.77
III.C.2 OTBK-based Simulation FOR_SNS p.82
III.C.2.1 Elastic Scattering p.86
III.C.2.2 Inelastic Scattering p.92
IV. CHARACTERIZATION OF EXPERIMENTAL DEVICES p.100
IV.A Device "A" p.100
IV.B Device "B" p.120
V. NOISE PROPERTIES p.135
V.1 Low-Frequency Voltage Noise p.135
V.1.1 Characterization of Switching Noise p.138
V.1.2 Low Frequency Noise in the Adjustment Process p.147
V.1.3 Overall Scaling Function p.153
V.2 White Voltage Noise p.161
V.3 Low-Frequency Flux Noise p.165
VI. SUMMARY AND CONCLUSIONS p.177
LIST OF REFFERENCES p.185
LIST OF AUTHOR'S PUBULICATIONS p.189

 本論文は、NbとNbNからなる全薄膜型の超伝導体-常伝導体-超伝導体(SNS:Superconductor-Normal metal-Superconductor)メソスコピック系ジョセフソン弱接合におけるノイズ特性についてまとめたものである。このデバイスにおいては、SN界面での電子-ホール位相共役反射のAndreev反射がデバイスの電流輸送機構を支配するが、そのノイズ特性は、超伝導メソスコピック系の物理を解明する上で特に重要なものである。それゆえ最近、デバイスのノイズ特性に関する理論研究が一つのトピックになっているが、有益な実験データがないのが現状である。
 本論文では、「Niose Properties of MesoscopicSuperconductor-Constriction-Superconductor System」と題し、超伝導メソスコピック系の電圧ノイズ特性、特に、低周波ノイズ特性について検討している。
 第1章では、SNS系の研究に関するこれまでの経緯と本論文の内容をまとめている。最初にSNS系のジョセフソン結合におけるノイズ特性の重要性を述べている。次に、超伝導メソスコピック系のノイズ特性を研究する上で有用な系として、全薄膜型ポイントコンタクトデバイスを用いた本研究の意義と目的を示している。
 第2章では、まず、ノイズ特性を解析する上で基礎となるデバイスの電流-電圧特性に関する最近の理論を概観している。特に、本研究で実験した系の物理を解明するため、SN界面を含む種々の超伝導メソスコピック系におけるAndreev反射現象の概念を示している。また、超伝導ミクサやdc-超伝導量子干渉デバイス(SQUID:Superconducting QUantumInterference Device)ヘ応用する際に重要となる電圧ノイズに関する理論モデルを示し、ホワイトノイズや1/fノイズ特性について詳述している。
 第3章では、ノイズ特性の測定法について述べている。まず、実験に用いた二つの全薄膜型ポイントコンタクトの作製法を述べている。その一つ(デバイスA)は、電圧パルスを印加することで、電流-電圧特性を調整できるNbN-(Nb fine wires)-Nbポイントコンタクトである。デバイスBは、1nm以下の超薄膜バリアを持つ平面型のNb-MgO-NbNポイントコンタクトである。続く節で、実験方法(電気特性、電圧ノイズ特性、磁束ノイズ特性の各計測法)を述べ、デバイスの電気特性を解析するシミュレーション技法も示している。
 第4章では、ノイズ特性を解析する上で基礎となる、非線形の電流-電圧(I-V)特性の解析を行っている。デバイスAのI-V特性は、拡張したBlonder, Tinkham and Klapwijk(BTK)理論により説明し、デバイスBのI-V特性は、多重Andreev反射現象を扱ったOctavio, Tinkham, Blonder and Klapwijk(OTBK)理論で説明し、試作したデバイスの電流輸送機構を明らかにしている。
 第5章では、ノイズ特性に関する実験結果を示し、観測されたテレグラフノイズ(TLF:Two Level Fluctuation)を、活性化エネルギー、および特性周波数を用いて特性づけしている。次に、デバイスAにおけるI-V特性の調整プロセスとデバイスの低周波ノイズ(LFN:Low Frequency Noise)スペクトラムについて議論し、特性調整プロセスでTLFやLFNの絶対値の大きな減少を見いだしている。また、このノイズの減少と、I-V特性がトンネル特性からクリーンメタリック特性に変化していく現象との間に強い相関があることを初めて実験的に明らかにしている。本章の最後では、dc-SQUIDの磁束ノイズ特性を調べ、常伝導抵抗のゆらぎと、超伝導電流のゆらぎとの関係について議論している。
 第6章では、本研究の主要な結果をまとめ、超伝導メソスコピックデバイスのノイズ特性に関して得られた結論を述べている。
 以上、本論文は、デバイス作製の難しさから研究報告例がほとんどなかった超伝導メソスコピック系のノイズ特性について検討し、まとめたものである。デバイスのノイズ特性は、応用の際に、非常に重要な因子となるが、本研究の成果は、将来超伝導メソスコピック系デバイスが実用化されたときに、有用な指針を与えるものとなろう。

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