Сверхпроводниковый дискретный счетный компонент
SUPERCONDUCTING DISCRETE COUNTING COMPONENT

Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике, а именно к многоканальным системам счета и может быть использовано в качестве счетного компонента в наноразмерных цифровых устройствах в различных областях науки и техники.
Известно использование триггеров в качестве счетных компонентов в многоканальных счетчиках различного назначения (SU 1649577 [1]). Недостатком известного счетного компонента является то, что он характеризуется ограниченным количеством дискретных равновесных состояний (двумя «ноль» и «единица»), а также относительно высоким энергопотреблением, поскольку в их основе лежат полупроводниковые транзисторы
Известен сверхпроводниковый пленочный логический элемент, содержащий экран, два изолированных от него сверхпроводящих электрода, расположенные над ними и соединенные распределенным джозефсоновским контактом, подводящие шины, подсоединенные к средней части электродов, и по крайней мере одну управляющую шину. Каждый электрод выполнен в виде сплошной пластины, подводящие шины подсоединены к средней части участков, образующих джозефсоновский контакт, а шины управления расположены над остальной частью пластины (SU 1208986 [2]). Недостатком известного счетного элемента является то, что он имеет только два устойчивых состояния, которые могут кодироваться как «ноль» и «единица».
2
2
2
3
10
2
2
2
3
10
Известен джозефсоновский криотрон, который может быть использован для создания логических схем и в качестве счетного компонента вычислительных устройств(RU 2364009 [3]). Криотрон содержит верхнюю сверхпроводниковую дорожку из (BiPb)SrCaCuO с джозефсоновским контактом. Под верхней дорожкой располагается нижняя сверхпроводниковая дорожка из (BiPb)SrCaCuO, выполняющая функции экранирования и управления криотроном, при этом дорожки изолированы друг от друга в области джозефсоновского контакта и соединены последовательно. Недостатком известного счетного элемента является то, что он имеет только два устойчивых состояния, которые могут кодироваться как «ноль» и «единица».
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является описанное в RU 2674063 [4] устройство, которое может быть использовано для создания функциональных переключаемых электронных устройств различного назначения, в том числе и счетных. Устройство содержит два конструктивных элемента - тепловыделяющий элемент (управляющий нанопровод) и управляемый нанопровод. Работа устройства основана на переводе сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное. Перевод осуществляют путем локального нагрева сверхпроводника. Для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводящего нанопровода, гальванически не связанного с подвергаемым воздействию и расположенного с наноразмерным зазором рядом с нагреваемым отрезком сверхпроводника с пропусканием через него тока, превышающего величину тока перехода сверхпроводника в нормальное состояние и обеспечивающего выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние. Недостатком известного счетного компонента является то, что он имеет только два равновесных состояния, которые могут кодироваться как «ноль» и «единица».
Заявляемый сверхпроводниковый дискретный счетный компонент направлен на увеличение числа дискретных равновесных кодируемых состояний.
Указанный результат достигается тем, что сверхпроводниковый дискретный счетный компонент содержит подключаемый к стабилизированным источнику тока или к источнику напряжения сверхпроводниковый элемент, переводимый из сверхпроводящего состояния в нормальное. При этом сверхпроводниковый элемент выполнен из последовательно соединенных фрагментов, характеризующихся ступенчато увеличивающимися значениями прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное.
Указанный результат достигается также тем, что сверхпроводниковый дискретный элемент выполнен из фрагментов со ступенчато увеличивающимся сечением в плоскости, перпендикулярной направлению протекания тока.
Указанный результат достигается также тем, что фрагмент сверхпроводникового элемента с наименьшим сечением снабжен резистивным участком.
Указанный результат достигается также тем, что сверхпроводниковый элемент выполнен из фрагментов, подвергнутых корпускулярному излучению низкоэнергетическим потоком ионов или атомов с различной энергией и дозой, достаточной для образования различного количества дефектов кристаллической структуры и/или различной степени изменения стехиометрии материала сверхпроводника.
Указанный результат достигается также тем, что фрагмент сверхпроводникового элемента с наименьшим значением прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное снабжен резистивным участком.
Отличительными признаками заявляемого сверхпроводникового счетного компонента являются:
- выполнение сверхпроводникового элемента из последовательно соединенных фрагментов, характеризующихся ступенчато увеличивающимися значениями прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное;
- выполнение сверхпроводникового элемента из фрагментов со ступенчато увеличивающимся сечением в плоскости, перпендикулярной направлению протекания тока;
- снабжение фрагмента сверхпроводникового элемента с наименьшим сечением резистивным участком;
- выполнение сверхпроводникового элемента из фрагментов, подвергнутых корпускулярному излучению низкоэнергетическим потоком ионов или атомов с различной энергией и дозой, достаточной для образования различного количества дефектов кристаллической структуры и/или различной степени изменения стехиометрии материала сверхпроводника;
- фрагмент сверхпроводникового элемента с наименьшим значением прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное снабжен резистивным участком.
Известно, что в наноразмерном сверхпроводнике при прохождении критического тока создается резистивная область, которая находится в нормальном состоянии при рабочей температуре, при этом величина тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику определяется по вольт-амперной характеристике сверхпроводника, полученной без внешних воздействий на сверхпроводник [4]. Прототип заявляемого счетного компонента, имеющий отрезок однородного сверхпроводника с единственным значением критического тока, которым переводится в нормальное состояние, имеет только два устойчивых состояния - сверхпроводящее и нормальное, которые могут кодироваться как «ноль» и «единица».
Поэтому, если счетный элемент выполнен из последовательно соединенных фрагментов, характеризующихся ступенчато увеличивающимися значениями прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное, то устойчивых состояний будет несколько, по числу фрагментов.
При этом ступенчатое увеличение значение прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное может быть достигнуто с использованием различных технологических приемов.
1
2
N
N
В одном из частных вариантов реализации возможно выполнение сверхпроводникового элемента из фрагментов со ступенчато увеличивающимся сечением в плоскости, перпендикулярной направлению протекания тока. Каждый N-ный фрагмент характеризуется своим сечением и, соответственно, своим прямым током перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное (I) и обратным током перехода из нормального состояния в сверхпроводящее (I).
N
N
N
(N-1)
N
Таким образом, устройство, содержащее N фрагментов, характеризуется дискретным набором из N токов (I), при которых происходят прямые переходы соответствующих фрагментов. Обратные переходы фрагментов происходят практически при тех же токах (гистерезис практически отсутствует). Следовательно, пропуская через устройство заданный ток или подключая заданное напряжение можно инициировать переход заданного количества фрагментов в нормальное состояние. При использовании источника напряжения необходимо во избежание его перегрузки или неконтролируемого переключения неопределенного количества фрагментов включение между источником и сверхпроводящим устройством сопротивления, значимо превышающего полное сопротивление устройства в несверхпроводящем состоянии. Переход каждого фрагмента сопровождается появлением разности потенциалов (напряжения) между границами фрагментов, а также вызывает скачкообразное увеличение общего напряжения на всем проводнике (см. ступеньки по напряжению на фиг. 6- пример зависимости напряжения от тока на устройстве, содержащем N=10 фрагментов). Считывание сигнала может производиться как по величине общего напряжения на устройстве (фиг. 1), так и с каждого фрагмента отдельно, для чего к ним должны быть подведены соответствующие выводы (см. Фиг. 2-5). Напряжение на выводах от каждого фрагмента U будет возникать в момент перехода N-ого фрагмента в нормальное состояние. Дискретность работы устройства заключается в том, что появление сигнала на N-ом фрагменте будет происходить дискретно, т.е. только при достижении тока (входного сигнала) значения I, а в промежутке токов от I до I изменений уровней напряжений на выходах устройства наблюдаться не будет.
Устройство может быть использовано в качестве базового для создания систем исчисления с основанием N, а также для выполнения любых других операций (сложения, вычитания, умножения, деления, возведение в степень и т.п.) с числами в системе исчисления с основанием N.
В частных случаях реализации такого варианта целесообразно снабжение фрагмента сверхпроводникового элемента с наименьшим сечением резистивным участком. Преимуществом такого варианта является уменьшение значения тока, необходимого для переключения элемента с наименьшим сечением до уровня тока обратного перехода сверхпроводящего фрагмента с наименьшим сечением, в отличие от случая без снабжения его резистивным участком, когда его переход происходит при значении тока прямого перехода.
Выполнение сверхпроводникового элемента из последовательно соединенных фрагментов, характеризующихся ступенчато увеличивающимися значениями прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное, возможно путем изменения структурного состояния и, соответственно, критического тока сверхпроводниковых фрагментов за счет их облучения. Для этого достаточно подвергнуть их корпускулярному облучению низкоэнергетическим потоком ионов или атомов с различной энергией и дозой, достаточной для образования различного количества дефектов кристаллической структуры и/или различной степени изменения стехиометрии материала сверхпроводника и тогда значения прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное будут различны в различных фрагментах.
Использование корпускулярного излучения в виде низкоэнергетического потока ионов или атомов позволяет обеспечить получение сверхпроводниковых функциональных элементов электронных устройств со стабильными параметрами критического тока в требуемых областях путем воздействия потоком корпускулярного облучения на выбранные участки элементов.
+
+
+
В ходе проведения экспериментов по воздействию низкоэнергетического смешанного ионного облучения на тонкопленочные сверхпроводники было установлено, что облучение приводит к образованию дефектов кристаллической структуры материала сверхпроводника, а также к изменению стехиометрии сверхпроводящего материала за счет замены части выбитых атомов сверхпроводника на атомы, привнесенные из пучка корпускулярного облучения. Выяснилось, что образование дефектов кристаллической структуры, а также изменение стехиометрии сверхпроводника вызывает изменение параметров сверхпроводимости, в частности, уменьшение прямого и обратного критических токов, увеличение электрического сопротивления в нормальном состоянии. Стабильность во времени внесенных облучением изменений свойств объясняется образованием устойчивых конфигураций дефектов, а также стабильных фаз с измененным химическим составом элементов в исходном сверхпроводнике. Например, если облучению смешанным пучком ионов, состоящим из протонов (Н) и ионов (ОН) подвергается нитрид ниобия NbN, то в качестве стабильной фазы с измененным составом выступает оксинитрид ниобия NbNO. Поэтому признано целесообразным в качестве корпускулярного излучения использовать поток ионов или атомов кислорода, ионов или атомов водорода или протонов и ионов ОН.
Следует учитывать, что описанное выше воздействие на сверхпроводник реализуется при малых дозах ионного облучения, поскольку по мере увеличения дозы, материал при рабочей температуре, например, 4.2 К, теряет свои сверхпроводящие свойства, проявляя металлические свойства при промежуточных дозах облучения, а затем- диэлектрические свойства при больших дозах облучения. Для каждого сверхпроводящего материала и выбранных параметрах ионного облучения (состав ионного пучка, энергия ионов, температура облучения и т.п.) значения диапазона доз, при которых реализуется требуемые изменения критических токов при сохранении сверхпроводящих свойств материала, выбираются экспериментальным путем за счет построения зависимости требуемых параметров от дозы облучения. При этом, использование корпускулярного излучения в виде низкоэнергетического потока ионов позволяет сначала получить известными способами микросхему электронного устройства, а затем в нужных местах преобразовать свойства сверхпроводника для достижения требуемого критического тока.
Также как и случае реализации варианта устройства с изменяющимися геометрическими размерами, в случае облучения сверхпроводника ионным потоком целесообразно фрагмент сверхпроводникового элемента с наименьшим значением прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное снабжать резистивным участком.
Сущность заявляемого счетного компонента поясняется примерами реализации и графическими материалами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки для измерения величины критического тока. На фиг. 2 представлен вариант реализации устройства, когда сверхпроводниковый элемент выполнен из фрагментов со ступенчато увеличивающимся сечением в плоскости, перпендикулярной направлению протекания тока. На фиг. 3 представлен вариант реализации устройства, когда фрагмент сверхпроводникового элемента с наименьшим сечением снабжен резистивным участком. На фиг. 4 представлен вариант реализации устройства, когда сверхпроводниковый элемент выполнен из фрагментов, подвергнутых корпускулярному излучению низкоэнергетическим потоком ионов или атомов с различной энергией и дозой, достаточной для образования различного количества дефектов кристаллической структуры и/или различной степени изменения стехиометрии материала сверхпроводника. На фиг. 5 представлен вариант реализации устройства, когда фрагмент сверхпроводникового элемента с наименьшим значением прямого критического тока, необходимого для перевода фрагментов из сверхпроводящего состояния в нормальное снабжен резистивным участком. На фиг. 6 представлена экспериментально полученная зависимость напряжения оттока на устройстве, содержащем N=10 фрагментов.
Следует отметить, что для реальных дискретных устройств не характерно непрерывное увеличение амплитуды тока на входе, как показано на фиг. 6, поскольку в них значения токов принимают только фиксированные (дискретные) значения и входные сигналы имеют импульсный характер.
Для пояснения принципа работы устройства в дискретном режиме, приведена фиг. 7, на которой показано как при подаче импульсного входного сигнала возникает соответствующий сигнал на фрагментах от первого до четвертого и не возникает на 6-ом фрагменте.
В общем случае эксперименты по определению величины критического тока проводятся с помощью установки, представленной на чертеже, следующим образом.
Исследуемый нанопроводник 1 помещается в жидкий гелий (температура 4.2 К) или в другое устройство, позволяющее достичь рабочей температуры, ниже температуры сверхпроводящего перехода материала нанопроводника.
С помощью источника тока 2 через нанопроводник пропускается постоянный ток, который измеряется амперметром 3, при этом напряжение на нанопроводни-ке измеряется вольтметром 4.
Величина тока через нанопроводник медленно увеличивается до момента возникновения напряжения на нанопроводнике. В момент возникновения напряжения на нанопроводнике фиксируется величина тока, которая соответствует току прямого перехода нанопровода из сверхпроводящего состояния в нормальное.
Далее, величина тока через нанопровод медленно уменьшается до момента исчезновения напряжения на нанопроводнике. В момент исчезновения напряжения на нанопроводнике фиксируется величина тока, которая соответствует току обратного перехода нанопровода из нормального состояния в сверхпроводящее.
Таким образом измеряются прямой и обратный критические токи нанопроводника.
Сверхпроводниковый дискретный счетный компонент, сверхпроводниковый элемент которого выполнен из фрагментов со ступенчато увеличивающимся сечением в плоскости, перпендикулярной направлению протекания тока может быть изготовлен различными известными методами литографии как одно целое. (На иллюстрирующих чертежах для удобства восприятия он изображен в виде отдельных прямоугольных частей). В частных случаях реализации в фрагменте сверхпроводникового элемента с наименьшим сечением формируется резистивный участок 5.
Сверхпроводниковый дискретный счетный компонент, сверхпроводниковый элемент которого выполнен из фрагментов, подвергнутых корпускулярному излучению низкоэнергетическим потоком ионов или атомов с различной энергией и дозой, достаточной для образования различного количества дефектов кристаллической структуры и/или различной степени изменения стехиометрии материала сверхпроводника также изготавливается известными методами. Для установления факта влияния доз облучения на величину критических токов были проведены соответствующие эксперименты.
Пример 1.
В качестве исходного материала нанопроводника берется нитрид ниобия (NbN). Методами электронной литографии и плазмохимического травления на диэлектрической подложке из сапфира изготавливаются два идентичных образца нанопроводов. Для подключения нанопроводников к схеме электрических измерений, к их концам методом взрывной фотолитографии формируются макроскопические металлические контакты из платины толщиной 20 нм с подслоем титана толщиной 10 нм.
Толщина нанопроводника составляет 5 нм, ширина нанопроводника 200 нм, длина нанопроводника 500 нм. Сверху на нанопроводники, которые будут подвергаться воздействию корпускулярного излучения наносится слой электронного резиста ПММА толщиной 240 нм. В требуемом месте над одним из нанопроводников методом электронной литографии создается окно с размерами: ширина 200 нм, длина 200 нм (внутри окна резист удаляется и, соответственно, маска отсутствует). Далее, образцы подвергаются облучению смешанным пучком ионов, состоящим из протонов и ионов ОН+ с энергией 1 кэВ до дозы 1 с.н.а. (по азоту). После облучения с помощью установки, представленной на чертеже, определяется величина критического тока обоих образцов. Измерения показали, что величина прямого критического тока для образца не подвергаемого воздействию корпускулярного излучения составила 45 мкА, а обратного критического тока 15 мкА.
В результате воздействия облучения на сверхпроводник величина прямого и обратного критического тока для такого же образца уменьшились и составили 8 мкА и 3 мкА соответственно.
Таким образом получен участок сверхпроводника, характеризующийся уменьшенным значением критического тока по сравнению со значением критического тока для исходного нанопроводника из NbN не подвергаемого облучению.
Пример 2.
В качестве исходного материала нанопроводника берется карбо-нитрид ниобия (NbCN). Методами электронной литографии и плазмохимического травления на диэлектрической подложке из сапфира изготавливаются два идентичных образца нанопроводов. Для подключения нанопроводников к схеме электрических измерений, к их концам методом взрывной фотолитографии формируются макроскопические металлические контакты из платины толщиной 20 нм с подслоем титана толщиной 10 нм.
Толщина нанопроводника составляет 5 нм, ширина нанопроводника 200 нм, длина нанопроводника 500 нм. Сверху на нанопроводник наносится слой электронного резиста ПММА толщиной 240 нм. В требуемом месте нанопроводника методом электронной литографии создается окно с размерами: ширина 200 нм, длина 200 нм (внутри окна резист удаляется и, соответственно, маска отсутствует). Далее, образец подвергается облучению смешанным пучком ионов, состоящим из протонов и ионов ОН+ с энергией 1 кэВ до дозы 1 с.н.а. (по азоту). После облучения с помощью установки, представленной на чертеже, определяется величина критического тока обоих образцов. Измерения показали, что величина прямого критического тока для образца, не подвергаемого воздействию корпускулярного излучения, составила 40 мкА, а обратного критического тока 12 мкА.
В результате воздействия облучения на сверхпроводник величина прямого и обратного критических токов для такого образца уменьшились и составили 7 мкА и 2 мкА, соответственно, т.е. получен участок сверхпроводника, характеризующийся уменьшенным значением критического тока по сравнению со значением критического тока для исходного нанопроводника из NbCN.
Пример 3.
Осуществлялся, как описано в примерах 1 и 2.
В качестве исходного материала нанопроводника берется нитрид ниобия (NbN). Толщина нанопроводника составляет 5 нм, ширина нанопроводника 200 нм, длина нанопроводника 500 нм. Сверху на нанопроводник наносится слой электронного резиста ПММА толщиной 240 нм, покрытого сверху защитным слоем вольфрама толщиной 2 нм. В требуемом месте нанопроводника методом электронной литографии создается окно с размерами: ширина 200 нм, длина 200 нм (внутри окна резист с защитным слоем вольфрама удаляются и, соответственно, маска отсутствует). Далее, образец подвергается облучению пучком ионов кислорода с энергией 0.1 кэВ до дозы 5 с.н.а. (по азоту). Измерения показали, что величина прямого критического тока для образца не подвергаемого воздействию корпускулярного излучения составила 45 мкА, обратного критического тока 15 мкА, а облученного уменьшились и составили 4.5 мкА и 2 мкА соответственно. Таким образом, в результате воздействия облучения на месте открытого окна в маске, сформирован участок сверхпроводника, характеризующийся уменьшенным значением критических токов по сравнению со значениями критических токов для исходного нанопроводника из NbN.
Пример 4.
Осуществлялся, как описано в примерах 1 и 2.
В качестве исходного материала нанопроводника берется карбонитрид ниобия (NbCN). Толщина нанопроводника составляет 5 нм, ширина нанопроводника 200 нм, длина нанопроводника 500 нм. Сверху на нанопроводник наносится слой электронного резиста ПММА толщиной 240 нм, покрытого сверху защитным слоем вольфрама толщиной 2 нм. В требуемом месте нанопроводника методом электронной литографии создается окно с размерами: ширина 200 нм, длина 200 нм (внутри окна резист с защитным слоем вольфрама удаляются и, соответственно, маска отсутствует). Далее, образец подвергается облучению пучком ионов кислорода с энергией 0.1 кэВ до дозы 5 сн а. (по азоту). Измерения показали, что величина прямого критического тока для образца не подвергаемого воздействию корпускулярного излучения составила 40 мкА, обратного критического тока 12 мкА, а облученного уменьшились и составили 4 мкА и 1 мкА соответственно. В результате воздействия облучения на месте открытого окна в маске участок сверхпроводника, характеризующийся уменьшенным значением критического тока по сравнению со значением критического тока для исходного нанопроводника из NbCN.
По описанной в примерах схеме опыты проводились для различных корпускулярных потоков, различных энергий, доз и материалов сверхпроводника. Часть из них приведена в таблице.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Устройство изготавливается таким образом, что переходы всех соседних фрагментов требуют увеличения амплитуды входного сигнала на одну и ту же величину. Предположим, что нужно произвести сложение чисел 5 и 4. Для выполнения этой операции на вход устройства подается ток, значение которого больше критического тока перехода пятого фрагмента, но меньше критического тока перехода шестого фрагмента. В результате на пятом фрагменте возникает напряжение. Таким образом в устройстве возникает состояние, соответствующее числу пять.
Для осуществления операции сложения с числом четыре на вход устройства следует подать дополнительный ток, амплитуда которого соответствует переходу четырех фрагментов. Теперь через устройство протекает ток, достаточный для перехода девяти фрагментов и устройство переходит в состояние, когда в нормальном состоянии оказываются девять фрагментов. Таким образом в устройстве произведена операция сложения чисел пять и четыре в устройстве.
Организация вычислений с использованием некоторого количества разрядов требует использования соответствующего числа аналогичных нанопроводов переменного сечения или с фрагментами, содержащими различное количество структурных дефектов, где каждый нанопровод отвечает за свой разряд.
Коммуникация между разными нанопроводами (разрядами), включая переход более старшего разряда в следующее состояние и сброс текущего разряда в нулевое положение (переход через разряд) производится стандартными схемотехническими методами.