ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ МАГНИТНЫЙ ПОВОРОТНЫЙ ВЕНТИЛЬ
JOSEPHSON MAGNETIC ROTARY VALVE

Изобретение относится к криогенной электронике, а именно к элементам быстрой криогенной памяти, и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.
8
Прогресс современных вычислительных комплексов тесно связан с законом Мура, предполагающим удвоение количества транзисторов на кристалле каждый год. Техническая сторона эволюции выражается как в уменьшении характерных размеров базовых элементов, так и в увеличении степени их интеграции, что помимо возникновения новых «размерных» эффектов усложняет проблему эффективного отведения тепла и делает особенно актуальным вопрос энергоэффективности вычислений. Так, к примеру, энергопотребление современного процессора, содержащего порядка 10транзисторов, составляющее 0.1-1 КВт, обуславливает суммарное энергопотребление суперкомпьютеров петафлопсной производительности и центров обработки данных на уровне 10-100 МВт. Энергопотребление машин нового поколения эксафлопсных суперЭВМ может составить порядка нескольких ГВт, что сравнимо с мощностью блока атомной электростанции и ставит под сомнение дальнейшее развитие этой области на основе существующих технологий. Альтернативным подходом к развитию вычислительных систем является использование энергоэффектиной сверхпроводниковой технологии, позволяющей создавать как подводящие линии (провода), так и логические элементы.
c
J
-15
-4
-19
На сегодняшний день сверхпроводниковые логические 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. Высокое быстродействие, высокая чувствительность, предельно низкая энергия переключения джозефсоновских элементов E=2·10 Вб·10 А≈10 Дж открывает большие перспективы для разработки аналоговых и цифровых устройств, которые способны работать в более высоких диапазонах частот сигналов, обеспечивать более высокие скорости обработки информации по сравнению с традиционной полупроводниковой электроникой. Традиционно известные 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.
Прогресс в этой области сильно ограничен отсутствием соответствующей по быстродействию и уровню сигналов, высокоемкой, энергоэффективной сверхпроводниковой памяти. Рекордная емкость сверхпроводникового запоминающего устройства с произвольной выборкой составляет всего 4 кбит. В качестве выхода из сложившейся ситуации на сегодняшний день используется гибридная сверхпроводниковая-полупроводниковая память. Экспериментально была продемонстрирована работа гибридного устройства с произвольной выборкой, емкостью 64 кбит. Использование гибридного подхода, предполагающее передачу данных между чипами со сверхпроводниковыми логическими схемами и полупроводниковой памятью, заметно ухудшает быстродействие и увеличивает суммарное энергопотребление систем. Ввиду отсутствия подходящей сверхпроводниковой памяти в современных сверхпроводниковых цифровых системах используются гибридные схемы, содержащие как сверхпроводниковые, так и полупроводниковые/магниторезистивные компоненты (US 0244958, Bulzacchelli J., 01.10.2009). Однако использование такого подхода заметно уменьшает быстродействие и позволяет решать лишь ограниченный круг задач.
Для обеспечения возможности интеграции джозефсоновской памяти на магнитных джозефсоновских контактах с цепями сверхбыстрой цифровой сверхпроводниковой электроники исследуемые структуры должны удовлетворять двум требованиям:
1) допускать возможность быстрого перемагничивания ферромагнитной прослойки, включенной в джозефсоновский переход, слабым магнитным полем для обеспечения операции «Запись» и
2) обладать малым временем переключения джозефсоновского перехода (высокой характерной частотой) для реализации операции «Считывание».
Известны различные технические решения, направленные на создание элементов и систем джозефсоновской памяти. В особую группу необходимо выделить решения, найденные и запатентованные на первых этапах развития быстрой одноквантовой логики (БОК-логики), в схемах которой носителем информации является квант магнитного потока. В сверхпроводниковых устройствах памяти на основе схем БОК-логики элементарной ячейкой являлся сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД), причем логическому «нулю»/«единице» в ячейке памяти соответствовало отсутствие/наличие в ячейке кванта магнитного потока и связанного с ним кругового тока (JP 3194796, Suzuki, 22.12.1989; US 5260264, Kurosawa, 26.03.1990). На основе различных СКВИДов были созданы сложные сверхпроводниковые системы с памятью, включая:
- трехтерминальные ячейки для криогенных компьютеров (US 5365476, Mukhanov О.А., 26.02.1993);
- джозефсоновские ячейки памяти с несколькими устойчивыми состояниями (JP 11191294, Chan, 10.10.1997);
- сверхпроводящие элементы памяти со встроенной защитой от ошибок (US 5629889, Chandra P., 14.12.1995).
0
Особо хотелось бы отметить созданные в рамках такого подхода аналоги запоминающих устройств с произвольным доступом к ячейкам (US 0255987, Nagasawa S., 16.11.2006). Главный недостаток ячейки памяти на основе СКВИЛа - ее чрезвычайно большой по меркам современной электроники размер (несколько микрометров). Необходимость хранения и передачи кванта магнитного потока Ф накладывает ограничение снизу на величину геометрической индуктивности элемента памяти с джозефсоновскими контактами на основе схем БОК-логики.
Естественным развитием работ по созданию быстрых и функциональных джозефсоновских запоминающих устройств явились попытки создания компактных магнитных сверхпроводниковых элементов памяти, в которых хранение информации связано с различными направлениями устойчивой намагниченности ферромагнитного слоя. 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 (S) слоями (US 6233171 B1, Youm and Beasley, 15.05.2001).
Описан токовый вентиль, предназначенный для управления потоком электронов, имеющий многослойную структуру «сверхпроводник - нормальный металл (N) - сверхпроводник» и не использующий диэлектрические (I) барьерные слои (US 6995390, Tsukui, 07.02.2006). В другом изобретении описана конструкция, позволяющая осуществлять управление критическим током пятислойных двухбарьерных джозефсоновских переходов, в которых расположенный внутри барьеров материал содержит ферромагнитную пленку, обеспечивающую зеемановское расщепления резонансных уровней электронов во внутрибарьерной области. Это необходимо для осуществления контроля величины критического тока структуры посредством управления положением расщепленных уровней относительно энергии Ферми электродов напряжением, приложенным к дополнительным управляющим контактам структуры (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 через барьер изолятор нанесен слой ферромагнитного материала (который может быть и электропроводным). Однако для всех перечисленных устройств характерен малый масштаб проникновения сверхпроводящих корреляций в магнитную область (или даже отсутствие таковой) и отсутствует возможность эффективного управления критическим током посредством слабого внешнего магнитного поля, что является критически важным недостатком для любого перспективного прототипа элемента джозефсоновской памяти.
Известен сверхпроводниковый спиновый вентиль, включающий размещенную на подложке сверхпроводящую пленку и отделенную от последней слоем изолятора структуру, управляющую критической температурой Тс сверхпроводящей пленки. Упомянутая структура состоит из двух слоев ферромагнитных (F) материалов, разделенных прослойкой неферромагнитного материала (US 6414870 B1, Johnson et al., 02.07.2002). Для реализации вентиля необходимо обеспечить в ферромагнитных пленках большие значения величины магнитных моментов, чтобы созданное этими моментами магнитное поле могло 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 относительно друг 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 качестве ячеек памяти.
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 магнитомягких материалов (WO 2012103384, Ryazanov et al., 26.01.2011, ближайший аналог). Приложение относительно малых полей позволяет заметно изменять величину критического тока перехода. Предложены и запатентованы ячейки памяти на основе такого магнитного джозефсоновского SIFS-перехода (US 0184445 A1, Mukhanov et al., 19.07.2012), а также системы памяти с произвольным доступом к ячейкам (US 8270209, Herr et al., 18.06.2012). 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 в процессе «Записи» эффективный магнитный поток через область слабой связи джозефсоновской структуры был достаточно велик (близок к одному кванту магнитного потока Ф=h/2е, h - постоянная Планка, е - элементарный заряд), что мешает уменьшать геометрические размеры SIFS-перехода.
Наиболее близким к заявляемому устройству является высокочастотный сверхпроводящий элемент памяти (RU 2013127417, Куприянов и др., 27.12.2014), включающий образованную на подложке область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей слои магнитного материала и слой сверхпроводящего материала между ними, два электрода из сверхпроводящего материала и токоподводы для подключения области слабой связи к источнику тока. Такой элемент обладает относительно высокой характерной частотой, однако абсолютная величина критического тока, равно как и абсолютная величина модуляции критического тока, при переходе между устойчивыми состояниями мала из-за наличия двух ферромагнитных слоев.
C
Заявляемое изобретение лишено указанных недостатков и позволяет реализовать переключение между состояниями с существенно различными значениями критического тока I с джозефсоновской гетероструктуры (ДГС), обладающей высокой характерной частотой.
Заявляемый джозефсоновский магнитный поворотный вентиль в одном из вариантов выполнения включает два расположенных друг под другом электрода из сверхпроводящего материала с токоподводами и область слабой связи между ними в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей: слой сверхпроводящего материала, отделенный от нижнего сверхпроводящего электрода слоем диэлектрика; нанесенный на часть сверхпроводящего слоя слой нормального материала в виде ступени; слой магнитного материала, нанесенный как на слой нормального материала, так и на оставшуюся не закрытой последним поверхность сверхпроводящего слоя.
В другом варианте выполнения джозефсоновский магнитный поворотный вентиль включает два сверхпроводящих электрода с токоподводами и область слабой связи между ними в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей: нанесенный на часть нижнего сверхпроводящего электрода слой нормального металла; слой магнитного материала, нанесенный как на слой нормального металла, так и на оставшуюся не закрытой последним поверхность нижнего сверхпроводящего электрода, промежуточный слой из сверхпроводящего материала, отделенный от верхнего сверхпроводящего электрода слоем изолятора.
Отличие от известных ранее джозефсоновских SFS структур состоит в том, что при изменении направления намагниченности единственного слоя магнитного материала по отношению к границе ступени, сформированной нормальным металлом, происходит резкое увеличение или уменьшение общего критического тока.
Для всех вариантов выполнения граница между слоем нормального металла и слоем магнитного материала имеет конфигурацию, позволяющую при изменении направления намагниченности слоя магнитного материала по отношению к границе слоя нормального металла на порядок увеличивать или уменьшать общий критический ток. Наилучший результат достигается в случае, когда граница между слоем нормального металла и слоем магнитного материала лежит в двух плоскостях, одна из которых параллельна поверхности промежуточного сверхпроводящего слоя, а другая образует с этой поверхностью угол, величина которого лежит в диапазоне от 10° до 90°.
2
3
7-x
x
1-x
x
1-x
x
1-х
x
1-x
x
1-x
x
1-x
1-x
x
3
В качестве материала промежуточного слоя из сверхпроводящего материала, нижнего и верхнего сверхпроводящего электрода может быть использован ниобий или сплав на его основе, соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBaCuO, где Re - редкоземельный металл. В качестве магнитного материала может быть использован магнитомягкий ферромагнетик, например сплавы PdFe, PdNi, PdCo, PtFe, PtNi, PtCo с содержанием ферромагнитных металлов менее 10 атомных процентов. В качестве магнитного материала также может быть использован слой диэлектрика, например аморфного кремния, легированный магнитными атомами Fe, Со, Ni, или слой легированного двухвалентными элементами оксидов переходных металлов типа RAMnO (где R - La, Pr, Nd и др., А - Sr, Са, Br и др.). В качестве нормального металла может быть использован элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.
Заявляемое устройство характеризуется также тем, что вектор намагниченности в магнитном слое лежит в плоскости, параллельной поверхности нижнего сверхпроводящего электрода.
В заявляемом устройстве толщина слоя магнитного материала и слоя изолятора в области слабой связи составляют 1-10 нм, толщина промежуточного сверхпроводящего слоя в области слабой связи составляет 10-100 нм, толщина сверхпроводящих электродов составляет 50-500 нм.
Технический результат изобретения состоит в увеличении изменения амплитуды критического тока перехода под действием малого магнитного потока по сравнению с предыдущими геометриями, что открывает возможности для миниатюризации сверхпроводящих элементов памяти. Дополнительный технический результат состоит в возможности использовать только один слой магнитного материала для реализации элемента памяти с двумя устойчивыми состояниями, что существенно упрощает технологию его изготовления. 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.
Изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 и фиг. 2 изображены две возможные структуры ДГС с одним магнитным, одним нормальным слоем, одним промежуточным сверхпроводящим слоем и одним слоем изолятора между сверхпроводящими электродами в планарной топологии;
на фиг. 3 приведена зависимость критических токов частей сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS) и сверхпроводник-ферромагнетик-нормальный металл-сверхпроводник от толщины слоя магнитного материала для предложенной ДГС;
J
на фиг. 4 представлена зависимость критического тока частей сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS) и сверхпроводник-ферромагнетик-нормальный металл-сверхпроводник (SFNS) ДГС от безразмерной намагниченности слоя магнитного материала и угла между намагниченностью единственного слоя магнитного материала и границей ступени, сформированной нормальным металлом, для случая джозефсоновского перехода, размер которого в направлении, перпендикулярном направлению токопереноса, равен джозефсоновской длине λ,
J
на фиг. 5 представлена зависимость критического тока частей сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS) и сверхпроводник-ферромагнетик-нормальный металл-сверхпроводник (SFNS) ДГС от безразмерной намагниченности слоя магнитного материала и угла между намагниченностью единственного слоя магнитного материала и границей ступени, сформированной нормальным металлом, для случая короткого джозефсоновского перехода, размер которого в направлении, перпендикулярном направлению токопереноса, равен 0.001 джозефсоновской длины λ.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - подложка; 2 - нижний сверхпроводящий электрод; 3 - слой изолятора, 4 - промежуточный сверхпроводящий слой; 5 - слой нормального металла; 6 - слой магнитного материала; 7 и 10 - токоподводы, 8 - граница между слоем нормального металла и слоем магнитного материала, 9 - верхний сверхпроводящий электрод.
Осуществление изобретения
s
F
Джозефсоновская гетероструктура для джозефсоновского магнитного поворотного вентиля, выполненная в планарной геометрии (см. фиг. 1 и фиг. 2), образована на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из нижнего сверхпроводящего слоя электрода S 2; слоя изолятора I 3; промежуточного сверхпроводящего слоя s 4 толщиной d; единственного слоя 6 магнитного материала F толщиной d; слоя нормального металла 5, нанесенного на часть промежуточного сверхпроводящего слоя и имеющего границу 8 с магнитным слоем 6, лежащую в двух плоскостях; второго сверхпроводящего электрода S 9; токоподводов 7 и 10 для подключения области слабой связи к источнику тока. Слой нормального материала 5 занимает от 30 до 70 процентов поверхности промежуточного сверхпроводящего слоя, граница слоя нормального металла лежит в плоскостях, одна из которых параллельна поверхности промежуточного сверхпроводящего слоя (4), а другие образуют с этой поверхностью угол, величина которого лежит в диапазоне от 10° до 90°.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
2
3
7-x
1-x
x
3
Толщины слоев магнитного материала 6 (Fe, Со, Ni, PdFe, PdNi, PdCo, PtFe, PtNi, PtCo) и промежуточного сверхпроводящего слоя 4 составляют 1-100 нм. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 2 и 9 и промежуточного слоя 4 могут быть использованы такие материалы, как ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец и сплавы на их основе. В качестве сверхпроводника также может быть использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBaCuO, где Re - редкоземельный металл (например, иттрий Y). Тогда в качестве магнитного материала могут быть использованы слои легированных двухвалентными элементами оксидов переходных металлов типа RAMnO (например, манганиты).
На фиг. 3 приведена зависимость критических токов частей сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS) и сверхпроводник-ферромагнетик-нормальный металл-сверхпроводник от толщины слоя магнитного материала для предложенной ДГС, причем показано, что при определенном подборе параметров реализуется ситуация, когда критическая плотность тока одной части ДГС положительная, а другой - отрицательная.
На фиг. 4 представлена зависимость критического тока ДГС от безразмерной намагниченности слоя магнитного материала и угла между намагниченностью единственного слоя магнитного материала и границей ступени, сформированной нормальным металлом, для случая длинного джозефсоновского перехода. Показано, что при определенных параметрах, выделенных на рисунке, поворот намагниченности единственного слоя магнитного материала относительно границы 8 ступени, образованной слоем нормального металла, изменяет величину критического тока на порядок.
На фиг. 5 представлена зависимость критического тока ДГС от безразмерной намагниченности слоя магнитного материала и угла между намагниченностью единственного слоя магнитного материала и границей ступени, сформированной нормальным металлом, для случая короткого джозефсоновского перехода. Показано, что при изменении направления намагниченности единственного слоя магнитного материала по отношению к границе ступени происходит изменение общего критического тока на порядок и для случая короткого джозефсоновского перехода.
Из приведенных данных видно, что изобретение позволяет достичь существенного изменения величины критического тока ДГС при изменении взаимной ориентации вектора намагниченности единственного слоя магнитного материала и границы слоя нормального металла. Это позволяет использовать патентуемую структуру как управляющий элемент высокочастотной сверхпроводящей памяти.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
2
3
7-х
Технологическая применимость: для реализации заявляемого 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 слоя магнитного материала 4-Ni, Со, Fe и магнитомягкие сплавы на их основе: PtFe, PtNi, PtCo, PdFe, PdNi; в качестве слоя магнитного материала могут использоваться также диэлектрики, например аморфный кремний, легированные магнитными атомами Fe, Со, Ni. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 2 и 9 - ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец 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 нормального металла для патентуемой топологии находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.