Enhancement of macroscopic quantum tunneling in Josephson junctions with multigap superconductors through zero-point fluctuations of Josephson-Leggett mode

多ギャップ超伝導ジョセフソン接合における巨視的量子トンネル率の増大

太田 幸宏; 町田 昌彦  ; 小山 富男*

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

2008年の鉄砒素系超伝導の発見以降、多バンド及び多ギャップ超伝導に関する研究は超伝導物理における大きなトピックスとなり、中でも超伝導工学への応用を明らかにすることは重要な課題である。本論文では、多ギャップ超伝導体から構成された量子デバイスの特性を明らかにすべく、ジョセフソン接合系での巨視的量子トンネルを研究した。問題点として、多ギャップ性に起因する多自由度性を考慮した理論体系の構築という点があったが、ここでは本システムをよく知られた単一自由度の接合モデルへ実効的にマップする手法を発見することで、解決した。同時に、本デバイスの性能向上に関連する成果として量子トンネル確率の飛躍的に上昇させる機構を求めた。その知見は今後の鉄砒素超伝導の超伝導工学応用にとって有益なものである。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 macroscopic quantum tunneling (MQT) in a hetero Josephson junction formed by a conventional single-gap superconductor and a multi-gap one such as and iron-based superconductors. We clarify the quantum dynamics of the phase differences and construct a theory for the MQT in the multi-gap Josephson junctions. The dynamics of the phase differences are strongly affected by the Josephson-Leggett mode, which is the out-of-phase oscillation mode of the phase differences. The escape rate is drastically enhanced when the frequency of the Josephson-Leggett mode is less than the Josephson-plasma frequency.