ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ 0-ПИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
JOSEPHSON 0-PI SWITCH

Область техники
Изобретение относится к криогенной электронике и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.
Уровень техники
c
Современные устройства на основе эффекта Джозефсона характеризуются очень высоким быстродействием: характерная частота F джозефсоновских элементов на основе низкотемпературных сверхпроводников лежит в диапазоне от десятков до сотен гигагерц, а при использовании высокотемпературных сверхпроводников может достигать единиц и даже десятков терагерц. В частности, СВЧ усилители на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД) имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами (СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта, а также согласующие и измерительные устройства).
J
-15
-4
-18
Высокое быстродействие и предельно низкая энергия переключения джозефсоновских элементов E=2·10Вб·10А≈10 Дж открывает большие перспективы для разработки аналоговых и цифровых устройств, функционирующих в более высоких диапазонах частот сигналов, обеспечивающих более высокие скорости обработки информации и меньшее энерговыделение по сравнению с традиционной полупроводниковой электроникой. Наиболее распространенные джозефсоновские гетероструктуры (ДГС) представляют собой сформированную на диэлектрической подложке многослойную тонкопленочную структуру, включающую слои сверхпроводника, изолирующие, барьерные и функциональные слои. В зависимости от назначения и конструктивного исполнения осуществляется выбор материалов подложек и самих активных сред. В частности, используя в качестве слабой связи между сверхпроводящими электродами слой магнитного материала определенной толщины, можно создать так называемый π-контакт с отрицательным критическим током и равной π джозефсоновской фазой в основном бестоковом состоянии (V. Ryazanov, Uspechi Fizicheskich Nauk 169, 920 (1999) [Physics-Uspekhi 42, 825 (1999)]).
Развитие сверхпроводниковой цифровой и аналоговой электроники тормозит отсутствие компактных джозефсоновских переходов (переключателей), критическим током которых можно эффективно управлять in situ, в том числе меняя его знак и переводя в π-состояние.
На сегодняшний день известен прибор на основе джозефсоновского перехода (JP 3190175, Yuzurihara et al, 20.08.1991), представляющий собой устройство с четырьмя токоподводами, в котором ток, задаваемый через одну из пар токоподводов, переводит в ферромагнитное состояние имеющуюся внутри устройства пленку из антиферромагнитного вещества, не находящегося в области джозефсоновского контакта. Возникающий при этом магнитный момент создает магнитное поле, приводящее к подавлению критического тока джозефсоновского элемента, расположенного между двумя другими токоподводами устройства, и к генерации на нем импульса напряжения.
С начала 2000-х годов начали развиваться работы по созданию компактных сверхпроводящих элементов памяти, в которых прикладываемые поля и токи управляли свойствами токового транспорта через гетероструктуру со сверхпроводящими слоями (US 6233171 B1, Youm and Beasley, 15.05.2001).
Описан токовый вентиль, предназначенный для управления потоком электронов, имеющий многослойную структуру «сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник» и не использующий диэлектрические барьерные слои (US 6995390, Tsukui, 07.02.2006). Также описана конструкция, позволяющая осуществлять управление критическим током пятислойных двухбарьерных джозефсоновских переходов, в которых расположенный внутри барьеров материал содержит ферромагнитную пленку, обеспечивающую зеемановское расщепление резонансных уровней электронов во внутрибарьерной области. Это необходимо для осуществления контроля величины критического тока структуры посредством управления положением расщепленных уровней относительно энергии Ферми электродов при помощи напряжения, приложенного к дополнительным управляющим контактам (US 6344659, Ivanov et al., 05.02.2002).
Известно устройство на джозефсоновском переходе (US 20090233798 A1, Maeda, 17.09.2009), которое состоит из сверхпроводящего слоя, размещенного на подложке, поверх которого нанесен слой ферромагнитного материала (который может быть и электропроводным), отделенный от сверхпроводника барьером изолятора. Однако для всех перечисленных устройств характерен малый масштаб проникновения сверхпроводящих корреляций в магнитную область и отсутствует возможность эффективного управления критическим током посредством слабого внешнего магнитного поля, что является критически важным недостатком для любого перспективного джозефсоновского переключателя.
С
Известен сверхпроводниковый спиновый вентиль, включающий размещенную на подложке сверхпроводящую пленку и размещенную на ней через слой изолятора структуру, управляющую критической температурой Т сверхпроводящей пленки, состоящую из двух слоев ферромагнитных (F) материалов, разделенных прослойкой неферромагнитного материала (US 6414870 Bl, Johnson et al., 02.07.2002). Для реализации вентиля необходимо обеспечить в ферромагнитных пленках большие значения магнитных моментов по величине, так как созданное таким образом магнитное поле должно существенным образом изменять характеристики сверхпроводниковой пленки. Соответственно, для управления протекающим током необходимо создавать большие магнитные поля перемагничивания, что является существенным недостатком данного решения.
С недавнего времени известны джозефсоновские переходы и спиновые вентили (RU 2343591, Карминская и др., 10.01.2009; RU 2439749, Карминская и др., 25.10.2010; RU 2442245, Карминская и др., 17.11.2010), в которых на подложке образована область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной FNF-структуры, связанной определенным образом с электродами из сверхпроводника S. Слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние. В таких магнитных джозефсоновских переходах/спиновых вентилях возможно более эффективное управление критическим током/критической температурой посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов токопереноса, однако характерное напряжение и, как следствие, характерная джозефсоновская частота здесь слишком малы для эффективного использования в устройствах сверхпроводниковой электроники.
1
2
1
2
1
2
Известен джозефсоновский вентиль на основе структур ферромагнетик-сверхпроводник-изолятор-ферромагнетик-сверхпроводник (FSF′SF) с использованием слабого ферромагнетика PdFe в качестве F′-слоя (US 20120302446 A3, Ryazanov et al., 26.01.2012). В таком вентиле можно ожидать возникновения триплетной компоненты сверхтока, слабо подавляемой обменным магнитным полем в гетерострукутре, причем критическим током такого устройства можно управлять, меняя взаимную ориентацию векторов намагниченности в слоях F и F. Недостатком такой структуры будет низкое характерное напряжение, а также малое изменение критического тока при изменении взаимной ориентации векторов намагниченности в слоях F и F.
N
C
C
N
0
Известна гетероструктура сверхпроводник-изолятор-ферромагнетик-сверхпроводник (SIFS) с использованием магнито-мягких материалов (WO 2012103384, Ryazanov et al., 26.01.2011, ближайший аналог). Здесь приложение относительно малых полей позволяет заметно изменять величину критического тока перехода. Использование изолирующей прослойки увеличивает сопротивление джозефсоновского перехода R, однако расплатой за это является уменьшение критического тока I, и в результате характерная частота элемента ~IR остается сравнительно небольшой (1…2 ГГц). Малые значения характерных частот существенно ограничивают возможности применения запатентованных SIFS структур в качестве элементов быстрой джозефсоновской памяти. Кроме того, для существенного изменения величины критического тока необходимо, чтобы приложенный эффективный магнитный поток через область слабой связи джозефсоновской структуры был достаточно велик (близок к одному кванту магнитного потока Ф=h/2e, h - постоянная Планка, e - элементарный заряд), что мешает уменьшать геометрические размеры SIFS-перехода.
Описаны джозефсоновские переходы с магнитной прослойкой переменной толщины в области слабой связи: джозефсоновская фаза в основном безтоковом состоянии для таких переходов равна либо +φ, либо -φ (0<φ<π) и посредством внешнего магнитного поля можно переключать элемент между двумя этими состояниями, изменяя его критический ток (Е. Goldobin, Н. Sickinger, М. Weides, N. Ruppelt, Н. Kohlstedt, R. Kleiner, D. Koelle, "Memory cell based on а φ Josephson junction", Appl. Phys. Lett. 102, 242602, 2013). При этом относительная величина изменения критического тока мала, а сам джозефсоновский контакт достаточно велик.
Раскрытие изобретения
Джозефсоновский 0-π переключатель, выполненный в планарной геометрии, состоит из двух сверхпроводящих электродов и области слабой связи, включающей магнитный слой с непосредственной или резонансной проводимостью, слой изолятора и сверхпроводящий слой между ними, а также два вспомогательных сверхпроводящих подвода для задания тока через магнитный слой.
Отличие от известных ранее джозефсоновских SFS структур состоит в том, что при протекании тока по магнитному слою, локализованному в области слабой связи между сверхпроводящими электродами, происходит выделение энергии, приводящее к увеличению эффективной рабочей температуры перехода, сопровождающемуся резкому изменению величины и знака критического тока.
Прибор может характеризоваться тем, что в планарной геометрии слой сверхпроводника нанесен на подложку, а слой изолятора, промежуточный слой сверхпроводника, магнитный слой и второй слой сверхпроводника в указанной последовательности нанесены поверх него.
Прибор может характеризоваться тем, что отношение толщины к длине когерентности в сверхпроводящих материалах принадлежит диапазону значений от 0.4 до 0.5.
Прибор может характеризоваться тем, что слой изолятора может иметь переменную толщину.
2
3
7-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Прибор может характеризоваться и тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе либо высокотемпературные сверхпроводники на основе редкоземельных купратов общей формулы ReBaCuO, где Re - редкоземельный металл, или других оксидов; а в качестве материала магнитного слоя использован магнитно-мягкий ферромагнетик, например сплавы PdFe, PdNi, PdCo, PtFe, PtNi, PtCo с содержанием ферромагнитных металлов менее 10 атомных процентов.
Прибор может характеризоваться и тем, что в качестве вспомогательных подводов для задания тока через магнитный слой используются нормальные слои, отделенные от магнитного слоем диэлектрика.
Технический результат изобретения состоит в изменении величины критического тока джозефсоновской гетероструктуры под действием малого токового сигнала по сравнению с предыдущими геометриями, а также в возможности переключения между состояниями с разными знаками критического тока, что открывает возможности для использования в устройствах сверхпроводниковой электроники. Дополнительный технический результат изобретения состоит в возможности обеспечить достаточно высокую характерную частоту джозефсоновской гетероструктуры и, как следствие, достаточно высокое быстродействие элемента памяти на ее основе.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена принципиальная схема джозефсонвоского SIsFS перехода.
На фиг.2 представлена структура ДГС с магнитным и промежуточным сверхпроводящим слоями между сверхпроводящими электродами в планарной топологии.
На фиг.3 представлены зависимости нормированного критического тока перехода от температуры.
На фиг.4 представлен расчетный вид ток-фазовых зависимостей для SIsFS структуры при разных температурах.
Осуществление изобретения
Джозефсоновская гетероструктура (см. фиг.1) для высокочастотного 0-π переключателя, выполненная в планарной геометрии (см. фиг.2), образована на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из первого сверхпроводящего слоя электрода S 2; изолирующей прослойки переменной толщины 3; промежуточного слоя 4 из сверхпроводящего материала s; слоя 4 магнитного материала; сверхпроводящих токоподводов 51 и 52 для подключения области слабой связи к источнику тока; второго сверхпроводящего электрода S6 и подводов для задания тока через гетероструктуру 53.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Толщина магнитного слоя 4 из магнитного материала (PdFe, PdNi, PdCo, PtFe, PtNi, PtCo) составляет 1-100 нм. Толщина промежуточного сверхпроводящего слоя 7 составляет 1-100 нм. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 2 и 6, промежуточного слоя 7 и вспомогательных токоподводов 51, 52 могут быть использованы ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец и сплавы на их основе. Принципы создания вспомогательных подхводов для задания тока в магнитный слой в данном описании не приводятся и известны из уровня техники (см., например, I.P. Nevirkovets, М.A. Belogolovskii, "Hybrid superconductor-ferromagnet transistor-like device", Supercond. Sci. Technol., 24, p.024009, 2011).
На фиг.3 изображены зависимости величины нормированного значения критического тока патентуемой структуры от температуры, нормированной на критическую температуру используемых сверхпроводящих материалов. Штриховой линией представлена температурная зависимость нормированного критического тока для случая, когда толщина магнитного слоя 4 достаточно мала (отношение этой толщины к длине когерентности в сверхпроводящих материалах равна 0.3 и менее): в этом случае критический ток для любых температур положителен, реализован случай так называемого 0-состояния; произведение критического тока на нормальное сопротивление достаточно велико и близко к значениям, типичным для структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник. Штрихпунктирной - для случая, когда толщина магнитного слоя 4 достаточно мала (отношение этой толщины к длине когерентности в сверхпроводящих материалах равна 1 и более): в этом случае критический ток для любых температур отрицателен, реализован случай так называемого π-состояния; произведение абсолютной величины критического тока на нормальное сопротивление достаточно велико и близко к значениям, типичным для структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник. Сплошной линией представлена температурная зависимость нормированного критического тока для случая, когда толщина магнитного слоя 4 подобрана так, чтобы обеспечить возможность эффективного переключения между состояниями с положительным и отрицательным значениями критического тока (отношение этой толщины к длине когерентности в сверхпроводящих материалах равно 0.46): в этом случае критический ток резко меняет величину и даже знак при изменении нормированной температуры на 0.2.
На фиг.4 приведены ток-фазовые зависимости для случая, когда происходит переключение между состояниями с положительным и отрицательным значениями критического тока (отношение толщины магнитного слоя к длине когерентности в сверхпроводящих материалах равно 0.46). Сплошной линией представлена температурная зависимость нормированного критического тока для нормированной температуры, равной 0.5 (точка 101 на температурной зависимости на фиг.3). Штриховыми линиями - для случаев, соответствующих точкам 103 и 104 на температурной зависимости на фиг.3. Штрих-пунктирной - для нормированной температуры, равной 0.2 (точка 105 на температурной зависимости на фиг.3).
Из приведенных данных видно, что изобретение позволяет достичь существенного изменения величины критического тока ДГС при изменении температуры. Обеспечить требуемое изменение температуры в эксперименте возможно за счет энерговыделения при пропускании тока через проводящий магнитный слой 4. Это позволяет использовать патентуемую структуру как 0-π переключатель в устройствах сверхпроводниковой электроники.
Технологическая применимость
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
2
2
3
7-x
Для реализации патентуемого устройства могут быть использованы материалы, применяемые в криоэлектронной технике и известные специалистам. В качестве подложки 1 могут быть использованы любые стандартные подложки (кремний, сапфир и пр.). В качестве магнитного слоя 4 - магнито-мягкие сплавы на основе ферромагнетиков Ni, Co, Fe: PtFe, PtNi, PtCo, PdFe, PdNi, PdCo, CuNi, NdNi. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 2 и 6, а также вспомогательных токоподводов - ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец либо MgB и соединения на его основе, либо высокотемпературные сверхпроводники на основе редкоземельных купратов общей формулы ReBaCuO, где Re - редкоземельный металл, или других оксидов (см., например, US 6011981, Alvarez et al., 04.01.2000), для которых известна технология нанесения слоев на подложки. Типичные толщины слоев магнитного материала и сверхпроводника для патентуемой структуры составляют 1-100 нм и находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники. Из-за низкой теплопроводности перечисленных материалов при температурах жидкого гелия требуемое для переключения ДГС изменение температуры можно обеспечить за счет джоулевой энергии, выделяемой в нормальной области проводящего магнитного слоя. Использование сверхпроводящего материала для создания вспомогательных токоподводов обеспечивает (также как и использование нормального материала с введением дополнительных слоев диэлектрика на границе с магнитным слоем) возможность переключения между 0 и π состояниями при приложении токов, величина которых порядка нескольких мА, что вполне допустимо для современной криогенной техники.