Shapiro steps as a direct probe of -wave symmetry in multigap superconducting Josephson junctions

多ギャップ超伝導ジョセフソン接合におけるシャピロ・ステップ; 波の探索プローブ

太田 幸宏; 町田 昌彦  ; 小山 富男*

Ota, Yukihiro; Machida, Masahiko; Koyama, Tomio*

超伝導デバイス分野では超伝導特性を鋭敏に反映するデバイスの研究開発が要求されている。本発表では、上記課題に関連し、多ギャップ超伝導ジョセフソン接合の理論基盤を構築し、その代表例である鉄系超伝導体の基礎物性を探索するプローブを提案したので報告する。課題解決にあたり、本システム特有の位相モードであるレゲットモードの寄与を適切に取り入れ、その結果、従来とは大きく異なる新たな交流ジョセフソン効果(新たなシャピロ・ステップ)の予言に成功した。また、本成果は新規超伝導体の物性探索のみならず、鉄系超伝導体の新規デバイス応用に対し有用な知見も与えうる。なお、本成果は科学技術振興機構・受託研究「超伝導新奇応用のためのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション基盤の構築」の研究成果である一方、原子力材料のマルチスケールシミュレーション研究開発にも資する成果である。

We theoretically study the Shapiro steps in a hetero-Josephson junction made of a single-gap superconductor and a two-gap one. We find that an anomalous dc Josephson current is induced by tuning the frequency of an applied microwave to the Josephson-Leggett mode frequency, which creates an extra step structure in the characteristics besides the conventional Shapiro steps. The step heights at the resonance voltages exhibit an alternate structure of a large and small value reflecting the gap symmetry of the two-gap superconductor. In the -wave case in which the two gaps have opposite signs in the two-gap superconductor the steps with odd index are enhanced, whereas in the -wave case the ones with even index have larger values. The existence of the fractional Shapiro steps is also predicted.