超伝導近接効果を用いた力・変位測定

岡本創 赤崎達志 山口浩司
量子電子物性研究部

 半導体の微小な板ばね(カンチレバー)を用いた力や変位の検出技術は、加速度・ガス検知などの各種センサ応用から原子間力顕微鏡に至るまで現在幅広く利用されている。その検出方法は光学的手法と電気的手法に大別されるが、大掛かりな外部検出装置を必要としない後者の手法、中でも板ばねのしなりを電気抵抗の変化により検出するピエゾ抵抗カンチレバーは微細化・集積化に適したメカニカル素子として注目を集めている。我々はこれまでに半導体量子ナノ構造を含むピエゾ抵抗カンチレバーを作製することにより、量子力学的効果がもたらすピエゾ抵抗の増大によって高感度な力・変位検出が可能となることを報告している[1]。ここでは最近開発した超伝導体‐半導体接合を含むピエゾ抵抗カンチレバーによる新しい力・変位検出手法を紹介する[2]。
 作製したカンチレバーを図1に示す。長さ200µm、幅60µmのカンチレバーの根元には超伝導体(Nb)と半導体(InAs)の微小接合が組み込まれており、極低温環境ではInAsを介してNb電極間に超伝導電流が流れる(超伝導近接効果)。この接合に流れることのできる最大超伝導電流(臨界電流)がカンチレバーのしなりにより僅かに変調されることを我々のグループは見出した。この臨界電流の機械的な変調を利用すれば、臨界電流付近にバイアス電流を固定することにより、しなりに応じて超伝導状態と抵抗状態との状態変化が誘発され、大きな抵抗値変化(ピエゾ抵抗)が現れる。実際に希釈冷凍機温度での測定により、超伝導状態と抵抗状態との境界(〜327mA)においてピエゾ抵抗が桁違いに増強されることを我々は確認した(図2)。以上の結果は、超伝導近接効果を用いることによりカンチレバーの先端にかかる微小な力や変位を高感度に検出できることを示している。

[1] H. Yamaguchi, et al, Phys. Rev. Lett., 93 (2004) 036603.
[2] H. Okamoto, et al. Physica E, 32 (2006) 512.

図1 超伝導体−半導体カンチレバーの電子顕微鏡像(a)と接合部の拡大図(b)。
(c)は接合の断面図
 図2 超伝導体−半導体接合カンチレバーの共振特性(抵抗値変化)におけるバイアス電流依存性(30mK)。Q値は約1万

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