アデレードの研究者、接合のないループでSQUIDアレイを絶対磁力計に

Physical Review Appliedに掲載された研究で、ジョセフソン接合を持たない超伝導ループがSQIFセンサーに必要な多様なループサイズを模倣し、製造を簡素化できることが示された。

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南オーストラリア州のアデレード大学（Adelaide University）の研究者らは、超伝導量子干渉素子（SQUID）のアレイを、その魅力である感度を損なうことなく絶対磁場を測定できるように構築する、より簡単な方法を示した。同大学の量子・ナノ技術グループ（QuaNTeG）に所属する博士課程のRoss Monaghan氏とJonathan Marenkovic氏、准教授のGiuseppe Tettamanzi氏による研究は、10月26日にPhysical Review Appliedに掲載され（第26巻、論文番号044077）、全文はarXivでも公開されている。

課題

SQUIDはジョセフソン接合で区切られた超伝導材料のループで、現存する最も感度の高い磁場検出器の一つである。多数のSQUIDループを2次元アレイに組み合わせると、非常に高性能な高周波センサーができる。ただし大学によれば、こうしたデバイスは磁場がちょうどゼロであることを判別するのが難しい。

超伝導量子干渉フィルター（SQIF）で使われる通常の解決策は、ループの面積を意図的に不均一にし、アレイが絶対磁力計として機能するようにすることだ。研究によれば、この要件は個々のループの最適化と衝突する。ループの大きさを変えると、そのインダクタンスと、良好な性能のために精密に制御すべき重要な設計パラメータも変わってしまうからだ。このトレードオフにより、著者らが標準量子限界のみに制約されると説明する本来の性能をアレイが引き出せない。大学の発表は、既存の設計では大きさの異なるループが数百、場合によっては数千個必要になり得ると指摘している。

技術的な詳細

アデレードのチームはすべてのループを同じ大きさに保ち、代わりに選んだループをジョセフソン接合のない「裸の」超伝導部分に置き換えた。この裸のループが回路内の磁束の分布を変えるため、アレイはループの面積が異なるかのように振る舞う。著者らはこれを「合成面積拡散」と呼び、裸のループの配置と等価な物理的面積の拡散とを結びつける解析式を導いた。

その後、裸のループを含む2次元SQIFアレイを複数作製し、極低温で動作させた。研究者らによれば、測定したデバイスは理論どおりに振る舞った。

Tettamanzi氏は「慎重に配置した裸のループを導入することで、最大感度に必要な条件を保ちながら同じ効果を得られる」と述べた。

なぜ重要か

均一なループで十分なら、メーカーは多様なループ形状を持つ大型アレイを製造する必要がなくなり、大学によればデバイスをより簡単かつ安価に作れる可能性がある。大学は想定される用途として、脳のモニタリング、より高感度な高周波受信機、低雑音通信、電磁センシングを挙げている。

今後の注目点

大学は、商用化の前にさらなる試験が必要だとしている。このコンセプトは国際特許出願の対象となっており、デバイス性能の向上や新たな用途の探索に向けた後続研究がすでに進んでいる。The Quantum Insiderは11月2日に大学の発表を掲載した。