СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРИБОР С ДЖОЗЕФСОНОВСКИМ ПЕРЕХОДОМ
SUPERCONDUCTING DEVICE WITH JOSEPHSON JUNCTION

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.
c
c
Описано большое число конструкций сверхпроводящих приборов, основанных на эффекте Джозефсона (далее - СПД), которые перспективны для использования в различных слаботочных сверхпроводящих устройствах (устройства быстрой одноквантовой логики, приемно-передающие устройства, магнитометрические устройства). Эффект Джозефсона возникает в области т.н. «слабой связи», образующейся в месте контакта двух сверхпроводников через несверхпроводящий материал с любым типом проводимости. При этом основной проблемой реализации является подбор физико-химических характеристик материалов слоев, обеспечивающих как высокие значения критического тока I при заданном расстоянии L между сверхпроводниками, так и возможность управления величиной и знаком I.
Традиционно известные СПД представляют собой сформированную на диэлектрической подложке многослойную тонкопленочную структуру, включающую сверхпроводник, изолирующие, барьерные и функциональные слои. В зависимости от назначения и конструктивного исполнения осуществляется выбор материалов подложек и самих активных сред.
2
3
7-x
Так, описан СПД, образованный на монокристаллической диэлектрической подложке и имеющий три слоя: два слоя из сверхпроводника YBaCuO (YBCO), один из которых - нижний - размещен непосредственно на подложке, разделенные барьерным слоем (US 6541789, Sato, et al., 01.04.2003). Слабая связь образована на торце одного из сверхпроводников. Известен также СПД (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.
Известен СПД, предназначенный для управления потоком электронов и имеющий многослойную структуру «сверхпроводник - нормальный металл-сверхпроводник» и не использующий диэлектрические барьерные слои (US 6995390, Tsukui, 07.02.2006). В другом изобретении описан СПД, предназначенный для управления критическим током пятислойных двухбарьерных джозефсоновских переходов, в которых расположенный внутри барьеров материал содержит ферромагнитную пленку. Ее назначение состоит в обеспечении зеемановского 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 - ближайший аналог).
Анализ уровня техники показывает, что известные устройства с джозефсоновскими переходами, в том числе ближайший аналог, обычно предусматривают задание тока по толщине композитной области слабой связи, то есть в направлении, перпендикулярном плоскости многослойной тонкопленочной структуры. Такие устройства обладают существенными недостатками в части управления параметрами тока за счет взаимной экранировки полей слоями самой же структуры (например, одного ферромагнитного слоя другим), а также малыми глубинами проникновения сверхпроводящего состояния по отношению к одноименным в нормальном металле.
Задачей изобретения является конструкция СПД, которая позволяет устранить указанные недостатки, а именно обеспечить более эффективное управление критическим током джозефсоновских переходов посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов его протекания, а также вследствие обеспечения условий для генерации слабозатухающего в области слабой связи триплетного типа сверхпроводящего спаривания.
Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом включает область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал, образованной на подложке, электроды из сверхпроводника, присоединенные к противолежащим боковым граням упомянутой слоистой структуры. Слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока.
2
3
7-х
Прибор может характеризоваться тем, что слои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля, а также тем, что в качестве сверхпроводника могут быть использованы ниобий или сплав на его основе или соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBaCuO, где Re - редкоземельный металл. В качестве ферромагнитного материала могут быть использованы Ni, Со, Fe или металлические сплавы на их основе, в качестве нормального металла - элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.
Прибор может характеризоваться и тем, что толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла составляют 10-100 нм.
Технический результат изобретения - возможность независимого изменения направлений намагниченности слоев, управления величиной, периодом осцилляции и направлением задания тока через СПД. Это имеет место за счет организации нескольких (более трех) независимых каналов его протекания, отвечающих как синглетному, так и триплетному механизмам сверхпроводящего спаривания. Наличие триплетной компоненты дает возможность существенно упростить контроль за величиной и знаком критического тока за счет увеличения крутизны преобразования изменений критического тока как функции угла поворота векторов намагниченности.
Это реализуется посредством структуры СПД с новой конфигурацией слоев в композитной области: S-(FNF)-S, где S, N, F - слои сверхпроводника, нормального металла и ферромагнетика соответственно. В этой топологии обеспечивается задание сверхпроводящего тока в направлении, параллельном FN-границам композитной области слабой связи в S-(FNF)-S структуре, а также дополнительное управление величиной и знаком критического тока путем разворота векторов намагниченности ферромагнитных пленок на угол, отличающийся от нуля и π.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где: на фиг.1 представлена конструкция, а на фиг.2-5 - характеристики патентуемого сверхпроводящего прибора с джозефсоновским переходом.
Сверхпроводящий прибор (см. фиг.1) включает подложку 1. На ее поверхности образована многослойная тонкопленочная структура, состоящая из первого слоя 2 ферромагнитного материала, слоя 3 нормального металла и второго слоя 4 ферромагнитного материала. Ферромагнитные пленки выполнены монодоменными, технология изготовления их известна. Слои 2, 4 ферромагнитного материала должны обладать различающимися величинами коэрцитивных полей, что позволяет разворачивать направления намагниченности в слоях относительно друг друга. Это может быть обеспечено, например, изготовлением слоев 2 и 4 с несколько различающимися толщинами (~30%) или шириной пленки, а также выбором материала подложки 1 или нормального металла в слое 3.
N
F
Противолежащие боковые грани структуры подсоединены к электродам 5 из сверхпроводника и токоподводам 6. Вследствие этого сверхпроводящий ток, подаваемый через токоподводы 6 к электродам 5, одновременно протекает по трем независимым каналам FNF-структуры длиной L. Эти каналы образованы в слоях 2, 3, 4: в слое 3 нормального металла толщиной d, заключенном между двумя слоями 2, 4 ферромагнитного материала, каждый из которых имеет толщину d. Боковые грани 7 структуры подсоединены к электродам 5 из сверхпроводника.
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
В качестве составляющих FNF-структуры, пригодных для реализации патентуемого устройства, могут быть использованы материалы, применяемые в технологии криоэлектронных материалов и известные специалистам. Например, в качестве подложки 1 могут быть использованы любые стандартные подложки (например, кремний, сапфир и пр.). В качестве ферромагнитных материалов слоев 2, 4 - чистые ферромагнетики Ni, Со, Fe или ферромагнитные сплавы на их основе: PtFe, PtNi, PtCo, PdFe, PdNi, PdCo, CuNi, NdNi; в качестве слоя 3 нормального металла - Cu, Au, Ag, Al, Pt. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 5 - ниобий, нитрид ниобия, 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), технология нанесения слоев которых на подложках известна. Оценки показывают, что типичные толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла для патентуемой топологии составляют 10-100 нм и находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.
Сверхпроводящий прибор функционирует следующим образом. При подаче тока через токоподводы 6 к электродам 5 из сверхпроводника сверхпроводящий ток одновременно протекает по трем независимым каналам FNF-структуры длиной L, образованным в слоях 2, 3, 4. При этом происходит перенос инжектированных через одну из боковых граней 7 куперовских пар в противоположный сверхпроводящий электрод 5, что и обеспечивает протекание заданного сверхпроводящего тока через структуру. При угле разориентации α=0 π куперовские пары в FNF области образуют синглетные и триплетные состояния, четные по энергии. При угле разориентации α, отличном от значений 0 и π, помимо описанных выше состояний, образуется дополнительное триплетное состояние, нечетное по энергии. Это дополнительное нечетное по энергии триплетное состояние количественно и качественно меняет характер связи между электродами 5 - дает возможность путем изменения угла α управлять как величиной, так и знаком критического тока.
Обоснование достижения технического результата, а также требования к выбору параметров подложки, материалов слоев, образующих структуру, и физические принципы, лежащие в основе изобретения, поясняются приведенными численными расчетами, результаты которых приведены на фиг.2-5.
1,2
N
N
C
1
2
C
1
2
На фиг.2 и 3 представлены зависимости действительной и мнимой частей волновых векторов q от угла α, рассчитанные при ξ/ζ=4 для двух значений обменной энергии h/πT=30 (сплошная линия для q и штриховая для q) и h/πT=15 (штрих-пунктирная линия для q и пунктирная линия для q). Здесь
N
BN
BN
N
N
F
BF
BF
F
F
NB
BF
BN
BF
N
F
N
F
C
C
N
N
1
2
N
N
1
2
1/2
1/2
ζ=(RAd/ρ), ζ=(RAd/ρ), R, R, A, A - сопротивления и площади SN и SF границ, ρ, ρ - удельные сопротивления материалов, ξ, ξ - их длины когерентности, T - критическая температура сверхпроводящих электродов. На вставках даны те же зависимости, вычисленные при h/πT=30 для двух различных значений ξ/ζ=4 (сплошная линия для q и штриховая для q) и ξ/ζ=2 (штрих-пунктирная линия для q и пунктирная линия для q).
1,2
1,2
F
F
C
F
F
F
C
2
2
2
1/2
Видно, что зависимости Re(q) и Im(q) симметричны относительно угла α=π. С увеличением угла от α=0 до α=α', где α'=arccos(1+4u/[h/ξπT)(u-(u +(h/ξπT))),
F
C
F
F
1
2
1
1,2
1
2
1,2
1
-2
-2
u=(ω/πT)ξ +ζ , происходит плавное уменьшение как мнимой, так и действительной частей q, при этом q=q*. Как следует из фиг.3, при α=α' мнимая часть Im(q) обращается в ноль, a q и qстановятся действительными числами. При дальнейшем увеличении α до α=π мнимые части Im(q) сохраняют нулевые значения. Реальная часть q увеличивается, достигая в точке α=π локального максимума.
2
1,2
2
2
Как следует из фиг.2, в области α'≤α≤2π-α' значения q слабо зависят от h. Именно этой компоненте обязана своим существованием область углов α'≤α≤2π-α', в которой Im(q) обращается в ноль. Это подтверждают и проведенные нами расчеты в рамках подхода, не учитывающего существование такой триплетной компоненты. В последнем случае мнимая часть q обращается в ноль строго при α=π, и отсутствует решение, определяющее q. Таким образом, существование q явно свидетельствует о наличии в системе нечетной по энергии триплетной компоненты.
N
N
1,2
2
1,2
Вставки на фиг.2 и 3 показывают, что с уменьшением прозрачности FN границы, т.е. по мере уменьшения отношения ξ/ζ, область α'≤α≤2π-α', в которой мнимые части q равны нулю, растет, а q стремится к значению для изолированной N пленки. Необходимо отметить, что область, в которой Im(q)=0, также растет с увеличением h.
C
C
N
N
N
F
C
N
F
N
C
N
N
C
N
2
2
На фиг.4 представлена зависимость нормированного значения критического тока I от величины угла α, рассчитанная при h/πT=30, ξ/ζ=4, ξ/ξ=10, T=0.57 T, ζ /ζ =300 для набора значений расстояния между сверхпроводящими электродами L/ξ=0.5, 1, 2, 4. С целью более удобного сопоставления формы кривых значения I, рассчитанные для L/ξ=1 и L/ξ=2, были умножены на фактор 3, а значения I при L/ξ=4 умножены на фактор 20.
N
N
C
N
Видно, что при L/ξ=0.5 переход находится в 0-состоянии при любом угле разориентации α векторов намагниченности. При L/ξ=1 и α=0 в переходе реализуется π-состояние, а при α=π - 0-состояние. Отметим, что состояние с отрицательным критическим током (π-состояние) сохраняется вплоть до α=2.46, при этом максимум критического тока в π-состоянии достигается не при параллельной ориентации намагниченностей (α=0), а при α=1.62. Тот же характер поведения I(L) сохраняется и при L/ξ=2. В этом случае π сохраняется вплоть до α=2.95, а максимум критического тока в π состоянии достигается при α=2.45.
N
При дальнейшем увеличении расстояния L между сверхпроводящими электродами будут появляться дополнительные области 0 и π-состояний между α=0 и α=π (см., например, результат для L/ξ=4 на фиг.4). Рост L сопровождается экспоненциальным уменьшением значений критического тока.
C
N
F
C
N
N
C
C2
C
C
C2
C1
1
2
Это обстоятельство иллюстрирует фиг.5, на которой представлена зависимость модуля критического тока |I(L)| от расстояния между электродами при значениях угла α=0; 2.5; 3; π, рассчитанная при ξ/ξ=10, T=0.5 T, ξ/ζ=4 и h/πT=30. При α=π вклад в критический ток от нечетной по энергии триплетной компоненты I=0 и критический ток I (пунктирная кривая) всегда положителен. При α≠π в I появляется вклад от I(L), который отрицателен и убывает с ростом L существенно медленнее, чем составляющая I(L), обусловленная синглетной и четной по энергии триплетной компонентами тока. Различие между Re(g) и Re(q) в области α'≤α≤2π-α' приводит к тому, что существует лишь одна длина L, начиная с которой в переходе будет реализовываться π состояние, сохраняющееся с дальнейшим ростом L. При α→π длина, при которой происходит переход в π-состояние, стремится к бесконечности.
N
Наличие "триплетного" π-контакта, образованного в результате конкуренции затухающих на длине порядка ξ синглетных и нечетных по энергии триплетных сверхпроводящих корреляций, позволяет реализовать эффективное управление критическим током S-(FNF)-S спинового вентиля путем разворота векторов намагниченности F пленок из их исходной антиферромагнитной конфигурации на относительно небольшой угол.
C
N
C
Таким образом, в СПД с S-FNF-S топологией имеет место новый тип "триплетного" π-контакта. Он обеспечивает не только значительное увеличение (по сравнению с SFS-топологией) эффективной длины спадания критического тока I и периода его осцилляции до длин масштаба ξ, но и управление как величиной, так и знаком I. Последнее дает возможность расширения функциональных возможностей приборов криоэлектроники.