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.
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). 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-х
Так, описан СПД, образованный на монокристаллической диэлектрической подложке и имеющий три слоя: два слоя из сверхпроводника YВаСuO (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 S - нормальный металл N - сверхпроводник S» 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).
Известно СПД устройство на джозефсоновском переходе (US 20090233798 A1, Maeda, 17.09.2009), которое состоит из сверхпроводникового слоя, размещенного на подложке, поверх которого нанесен слой ферромагнитного материала, который может быть электропроводным и нанесен на изолирующий слой. Однако данное устройство имеет малый масштаб проникновения сверхпроводящих корреляций и в нем не предусмотрена возможность управления критическим током посредством внешнего магнитного поля.
Известен СПД (RU 2343591 С1, Карминская и др., 10.01.2009), в котором на подложке образована область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной FNF-структуры, связанной с электродами из сверхпроводника S. Тонкопленочная структура выполнена из слоев F ферромагнитного материала с направлениями намагниченности, лежащими в плоскости структуры, между которыми размещен слой N нормального металла. Слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние. Электроды из сверхпроводника присоединены к противолежащим боковым граням FNF-структуры, что обеспечивает более эффективное управление критическим током СПД посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов его протекания.
В другом изобретении (RU 2373610 С1, Карминская и др., 20.11.2009 - ближайший аналог) СПД включает область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры «FNF», образованной на подложке, и электроды из сверхпроводника S, присоединенные к противолежащим боковым граням слоистой структуры. Слои F выполнены с возможностью разворота указанных направлений намагниченности друг относительно друга с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Указанное позволяет управлять критическим током СПД 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.
Однако, в этом устройстве торцевая геометрия джозефсоновских переходов не позволяет достичь существенно больших значений критического тока и не приводит к возникновению единичного 0-pi перехода с изменением длины области инжектирования куперовских пар.
Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом включает образованную на подложке область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей слои ферромагнитного материала и нормального металла, и два электрода из сверхпроводникового материала с токоподводами для подключения области слабой связи к источнику тока и представляет собой планарную структуру, в которой электроды из сверхпроводникового материала с токоподводами размещены поверх слоя нормального металла с возможностью наведения сверхпроводящих корреляций из области нормального металла под электродом в область слабой связи, при этом слой ферромагнитного материала присоединен к нормальному металлу с возможностью наведения в нем сверхпроводящих корреляций непосредственно из слоя нормального металла.
Прибор может характеризоваться тем, что слой ферромагнитного материала нанесен на подложку, а слой нормального металла размещен поверх него, при этом площади упомянутых слоев совпадают.
Прибор может характеризоваться и тем, что слой нормального металла нанесен на подложку, а слой ферромагнитного материала нанесен на поверхность упомянутого слоя нормального металла между электродами из сверхпроводникового материала.
Прибор может характеризоваться также тем, что слой ферромагнитного материала размещен между слоем нормального металла и подложкой в областях под электродами из сверхпроводникового материала.
Прибор может характеризоваться также и тем, что слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, при этом первый подслой слоя ферромагнитного материала нанесен на подложку, слой нормального металла размещен поверх него, а второй подслой ферромагнитного материала размещен на поверхности слоя нормального металла между электродами из сверхпроводникового материала.
Прибор может характеризоваться, кроме того, тем, что слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, при этом первый подслой ферромагнитного материала размещен на поверхности слоя нормального металла между электродами из сверхпроводникового материала, а второй подслой слоя ферромагнитного материала размещен на подложке под первым подслоем по другую сторону слоя нормального металла, при этом площади подслоев ферромагнитного материала совпадают.
Прибор может характеризоваться и тем, что слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, при этом слой нормального металла размещен на подложке, первый и второй подслои нанесены один на другой и размещены между электродами из сверхпроводникового материала на поверхности слоя нормального металла.
Прибор может характеризоваться, кроме того, тем, что угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока, а также тем, что подслои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля.
2
3
7-х
Прибор может характеризоваться и тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе, и также тем, что в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы RеВаСuO, где Re - редкоземельный металл, а в качестве ферромагнитного материала использованы Ni, Co, Fe или металлические сплавы на их основе.
Прибор может характеризоваться также тем, что в качестве нормального металла использован элемент из группы Сu, Аu, Al, Pt, толщина слоя ферромагнитного материала составляет 10-100 нм, и тем, что толщина слоя нормального металла составляет 10-100 нм.
Технический результат изобретения состоит в увеличении амплитуды критического тока перехода по сравнению с предыдущими геометриями и при определенных значениях длины границы контакта сверхпроводник - нормальный металл, а также в возникновении единичного 0-pi перехода с изменением длины области сверхпроводник -нормальный металл. Дополнительный технический результат состоит в возможности более эффективного управления величиной критического тока в случае наличия в структуре двух ферромагнитных слоев с разными направлениями намагниченности. Кроме того, предлагается использование более простой технологии планарных многослойных структур по сравнению с описанным в прототипе торцевым переходом.
Сущность изобретения поясняется на фигурах, где на:
фиг.1-3 показана структура СПД с планарным расположением слоев нормального металла и ферромагнитного материала;
фиг.4-6 - то же, но с двумя слоями ферромагнитного материала;
фиг.7 - зависимость абсолютной величины нормированных значений критических токов патентуемых структур как функции расстояния между электродами;
фиг.8 - фазовая диаграмма для структуры, показанной на фиг.3, при нескольких значениях толщины ферромагнитного слоя;
фиг.9 - фазовая диаграмма для SN-FN-NS структуры, показанной на фиг.2;
фиг.10 - фазовая диаграмма для SNF-FN-FNS структуры, показанной на фиг.1;
фиг.11 - зависимость амплитуды критического тока от нормированной длины d SN границы для патентуемых структур.
2
3
7-х
Сверхпроводящий прибор (см. фиг.1-3) образован на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из слоя 2 ферромагнитного материала F, слоя 3 нормального металла N, электродов 4 из сверхпроводникового материала S размером d с токоподводами 5 для подключения области слабой связи к источнику тока. Толщины слоев 2 ферромагнитного материала (Ni, Co, Fe или металлические сплавы на их основе) и нормального металла, в качестве которого может быть использован элемент из группы Сu, Аu, Al, Pt, составляют 10-100 нм. В качестве электродов 4 из сверхпроводникового материала могут быть использованы, например, ниобий, ванадий, индий, олово, свинец или сплав на основе этих металлов, соединение редкоземельных купратов общей формулы RеВаСuO, где Re - редкоземельный металл.
На фиг.2-3 показаны варианты размещения слоя ферромагнитного материала. Слой 21 ферромагнитного материала может быть размещен между электродами 4 из сверхпроводникового материала на свободной поверхности слоя 3 нормального металла. Слои 22 и 23 ферромагнитного материала могут быть размещены между слоем 3 нормального металла и подложкой 1 в областях под электродами 4 из сверхпроводникового материала.
F1
F2
На фиг.4-6 показаны варианты выполнения ферромагнитного материала из двух подслоев F1, F2 ферромагнитного материала толщинами d и d, соответственно. Подслои выполнены взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры, с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи.
Подслои ферромагнитного материала выполняются монодоменными, технология изготовления их известна. Подслои 24, 25 (фиг.4), 24, 26 (фиг.5) и 24, 27 (фиг.6) ферромагнитного материала должны обладать различающимися величинами коэрцитивных полей, что позволяет разворачивать направления намагниченности в указанных слоях относительно друг друга. Это может быть обеспечено, например, выполнением указанных слоев с несколько различающимися толщинами (~30%) или шириной пленки, а также выбором материала подложки 1 или нормального металла в слое 3.
N
Первый подслой 24 ферромагнитного материала (фиг.4) размещен на свободной поверхности слоя 3 нормального металла между электродами 4 из сверхпроводникового материала, а второй подслой 25 - между слоем 3 нормального металла толщиной d и подложкой 1.
В другом варианте (фиг.5) второй подслой 26 ферромагнитного материала имеет размер (площадь) первого подслоя 24 и размещен под ним.
На фиг.6 показана конструкция, когда первый 24 и второй подслои 27 нанесены один на другой и размещены на свободной поверхности слоя 3 нормального металла N между электродами 4 из сверхпроводникового материала S. Толщина верхней ферромагнитной пленки F может быть произвольной, толщина нижней - не должна превосходить длины когерентности в нормальном металле для обеспечения незатухающе малой величины триплетных сверхпроводящих корреляций на границе ферромагнитных подслоев 24, 27.
Прибор функционирует следующим образом. При подаче тока через токоподводы 5 к электродам 4 из сверхпроводникового материала сверхпроводящий ток наводится в слое нормального металла, расположенном непосредственно под сверхпроводящим электродом. Затем, из области нормального металла, расположенного под сверхпроводящим электродом, сверхпроводящие корреляции (сверхпроводящие состояния) наводятся в комплексной многослойной области слабой связи.
Если слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, предложенная геометрия, в которой сверхпроводящий электрод находится поверх слоя нормального металла, позволяет повысить эффективность управления величиной критического тока посредством разворота векторов намагничивания и генерации в структуре триплетных корреляций за счет увеличения его амплитуды.
На фиг.7 изображена зависимость абсолютной величины нормированных значений критических токов структур: SNF-FN-FNS (фиг.1), SN-FN-NS (фиг.2), SNF-N-FNS (фиг.3), как функция расстояния между электродами. По величине критических токов, вдали от точек 0-pi переходов, структуры располагаются в следующем порядке: SN-FN-NS, SNF-N-FNS и SNF-FN-FNS. Такой порядок обусловлен последовательным увеличением подавления сверхпроводимости со стороны F пленки. В SN-FN-NS структурах сверхпроводящие корреляции подавлены F пленкой только в области слабой связи, таким образом обеспечивая большие величины критического тока. В SNF-N-FNS структурах (фиг.3) критический ток меньше, чем в SN-FN-NS структурах из-за подавления сверхпроводимости в области под электродами. В SNF-FN-FNS структурах имеется подавление сверхпроводимости во всех частях структуры. Физическая причина этого факта состоит в том, что малая толщина 10-100 нм пленки нормального металла приводит к эффективному увеличению сверхпроводимости на границе комплексного SN электрода и области слабой связи по сравнению с величиной сверхпроводящих корреляций на SN границе для торцевой геометрии сверхпроводниковых структур, описанной в ближайшем аналоге (RU 2373610). В SNF-N-FNS-структуре критический ток при данных параметрах имеет отрицательное значение и затухает с увеличением расстояния между электродами без осцилляций.
Длина когерентности FN части SN-FN-NS и SNF-FN-NFS структур комплексна, что приводит к затухающим осцилляциям критического тока как функции расстояния L между сверхпроводящими электродами 4. Период этих осцилляций и их масштаб затухания одинаковы для всех этих структур и обусловлены только свойствами FN области слабой связи. Однако начальные условия для этих осцилляций на границе с областью слабой связи различны, что обуславливает сдвиг этих осцилляций вдоль оси структуры.
На фазовых (d, L) диаграммах линиями обозначено положение нуля критического тока. Эти линии разделяют области с отрицательным и положительным знаком критического тока (0 и pi состояния).
F
На фиг.8 приведена фазовая диаграмма для SNF-N-FNS структуры (фиг.3) при нескольких значениях толщины d слоя 22, 23 ферромагнитного материала. Для такой геометрии структуры в области слабой связи между комплексными SNF электродами 4 находится только пленка 3 нормального металла. Длина когерентности в пленке 3 нормального металла является действительной величиной, поэтому для такой структуры критический ток не испытывает осцилляций. Однако вычисления показывают, что в такой структуре возможен единичный 0-pi переход. Существование только одиночного перехода может быть объяснено следующим образом. Осцилляции конденсатной функции существуют только под комплексным SNF электродом, поэтому знак критического тока обусловлен величиной конденсатной функции на границе нормальной пленки и комплексного электрода. Так как величину конденсатной функции определяют два комплексных коэффициента, то они могут привести только к двум возможным областям знака критического тока, т.е. к одной линии на фазовой диаграмме. В зависимости от параметров структуры с увеличением расстояния L между сверхпроводящими электродами и с увеличением длины d SN границы, критический ток может изменять знак один раз или не изменять его вовсе.
F
F
Как видно из фиг.8, положение контурной линии немонотонно зависит от толщины ферромагнитной пленки. При нулевой толщине d пленки в структуре реализуется только состояние с положительным знаком критического тока для любых остальных параметров. При увеличении толщины d ферромагнитной пленки кривая сначала смещается к левому нижнему углу фазовой диаграммы, а затем поворачивает обратно и при некотором критическом значении толщины ферромагнитной пленки уходит в бесконечность. Таким образом, в структуре начинает реализовываться только состояние с положительным значением критического тока при дальнейшем увеличении толщины ферромагнитного слоя.
На фиг.9 приведена фазовая диаграмма для SN-FN-NS структуры, показанной на фиг.2. Поскольку в комплексном электроде (поз.4 и 3) отсутствует ферромагнитная пленка, поэтому 0-pi переходы реализуются вследствие комплексной длины когерентности в области слабой связи NF, которая присоединена к комплексным электродам. Поэтому в структуре наблюдаются множественные 0-pi переходы с увеличением расстояния L между электродами 4 и единичный 0-pi переход при увеличении длины d SN границы. В зависимости от длины SN границы контурные линии выглядят практически вертикальными, демонстрируя, таким образом, слабую зависимость положения 0-pi перехода от длины d SN границы.
На фиг.10 представлена фазовая диаграмма для SNF-FN-FNS структуры (фиг.1). В этих структурах длина когерентности комплексна как в области комплексных электродов размером d, так и в области слабой связи на длине L. Проявление 0-pi переходов в этом случае сильно зависит от сшивки осцилляций на SNF и NF границах. В результате этого контурные линии не столь вертикальны, как в предыдущем случае, а обнаруживают сильную зависимость от длины d SN границы.
N
N
N
На фиг.11 показана зависимость амплитуды критического тока от нормированной длины d/ξ (где ξ - длина проникновения сверхпроводящего состояния из сверхпроводника в нормальный металл) SN границы для патентуемых структур: (а) для структуры SNF-FN-FNS, представленной на фиг.1; (b) для структуры SN-FN-NS - фиг.2; (с) для структуры SNF-N-FNS - фиг.3. Из графика видно, что с увеличением длины d SN границы критический ток может изменять знак. Величина же критического тока имеет максимум необязательно при бесконечно большом d. Так, для SNF-N-NFS структур при d/ξ=0.5 величина критического тока в 50 раз больше, чем на бесконечности. Указанное дает возможность в патентуемой структуре получить большее значение критического тока при меньшей площади SN границы.
Из приведенных данных видно, что изобретение позволяет достичь существенно больших значений критического тока, что, однако, не приводит к возникновению единичного 0-pi перехода с изменением длины области инжектирования куперовских пар.
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-х
Промышленная применимость. В качестве элементов, 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 - чистые ферромагнетики Ni, Co, Fe или ферромагнитные сплавы на их основе: PtFe, PtNi, PtCo, PdFe, PdNi, PdCo, CuNi, NdNi; в качестве нормального металла - Cu, Au, Ag, Al, Pt. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 4 - ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец либо MgB и соединения на его основе, либо высокотемпературные сверхпроводники на основе редкоземельных купратов общей формулы RеВаСuО, где Re - редкоземельный металл, или других оксидов (см., например, US 6011981, Alvarez et al., 04.01.2000), технология нанесения слоев которых на подложках известна. Типичные толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла для патентуемой топологии составляют 10-100 нм и находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.