Ячейка квантовой памяти на основе сверхпроводниковой наноструктуры

Полезная модель относится к устройствам памяти нанометровых размеров, принцип работы которых основан на явлении сверхпроводимости тонких пленок. Охлаждение высокопроизводительных процессоров - это одно из основных препятствий для дальнейшего развития вычислительных устройств. Полезная модель может быть использована в криогенных компьютерах, как единица памяти, позволит увеличить производительность процессоров из-за отсутствия выделения тепла.
Известно большое число конструкций сверхпроводящих квантовых приборов на основе эффекта Джозефсона, которые находят использование в различных устройствах быстрой одноквантовой логики, приемниках и магнитометрах.
С начала 2000 годов появились работы по созданию компактных сверхпроводящих элементов памяти, в которых прикладываемые поля и токи управляли свойствами токового транспорта через гетороструктуру со сверхпроводящими слоями (Патент США №6233171 В1, МПК G11C 11/15, опубл. 15.05.2001).
Известен сверхпроводниковый спиновый вентиль, включающий размещенную на подложке сверхпроводящую пленку и отделенную от последней слоем изолятора структуру, управляющую критической температурой сверхпроводящей пленки. Структура состоит из двух слоев ферромагнитных материалов, разделенных прослойкой из неферромагнитного материала (Патент США №6414870, МПК G11C 11/18, опубл. 02.07.2002). Для реализации вентиля необходимо обеспечить в ферромагнитных слоях большие значения величины магнитных моментов для того, чтобы созданное магнитное поле могло существенным образом изменять характеристики сверхпроводниковой пленки.
Для управления протекающим током необходимо создавать большие магнитные поля перемагничивания, что является значительным недостатком данного решения.
Известен джозефсоновский фазовый доменный вентиль, который включает два расположенных на подложке друг под другом сверхпроводящих электрода с токоподводами и область слабой связи между ними в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей: промежуточный слой сверхпроводящего материала с токоподводами, толщина которого лежит в диапазоне от 20 до 60 нм, отделенный от нижнего сверхпроводящего электрода слоем изолятора; нанесенный на часть тонкого промежуточного слоя сверхпроводящего материала слой нормального металла, толщина которого лежит в диапазоне от 1 до 20 нм; слой магнитного материала, нанесенный на оставшуюся не закрытой слоем нормального металла поверхность тонкого промежуточного слоя сверхпроводящего материала, толщина которого лежит в диапазоне от 1 до 20 нм. Технический результат: обеспечение возможности переключения между устойчивыми состояниями вентиля без изменения намагниченности в слое магнитного материала, что обеспечивает достаточно малое время на реализацию операции записи (Патент РФ №2620027, МПК H01L 39/22, опубл. 22.05.2017).
Общим недостатком известных реализаций магнитной сверхпроводящей памяти является ограниченная скорость записи информации. Для его устранения необходим процесс перемагничивания по крайней мере одной из имеющихся в структуре ферромагнитных пленок.
Известен высокочастотный сверхпроводниковый элемент памяти, имеющий плоскую, торцевую поверхность (геометрию моста), состоит из двух сверхпроводниковых электродов и области слабой связи, которая включает в себя магнитные слои с прямой, туннельной или резонансной проводимостью и сверхпроводниковый слой между ними (Патент РФ №2554612, МПК H01L 39/22, опубл. 27.06.2015).
Отличие от ранее известных джозефсоновских структур состоит в том, что при изменении направления намагничивания одного из магнитных слоев в сверхпроводящей пленке, локализованных в области слабой связи между магнитными слоями, происходит переход из нормального состояния в сверхпроводящее состояние или происходит из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние. Увеличение вариации амплитуды критического переходного тока под действием малого магнитного потока по сравнению с предыдущими геометриями обеспечивает возможности миниатюризации сверхпроводниковых элементов памяти при сохранении свойств джозефсоновской гетероструктуры, что приводит к увеличению быстродействия элемента памяти на его основе.
Известен сверхпроводниковый пленочный трансформатор магнитного потока, содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводниковое квадратообразное кольцо с узкой активной полосой, изолирующую пленку, помещенную между активной полосой трансформатора магнитного потока и магниточувствительным элементом, активная полоса сформирована с помощью прорезей в виде параллельных ветвей. Техническим результатом изобретения является повышение фактора умножения трансформатора магнитного потока (Патент РФ №2455732, МПК H01L 39/16, опубл. 10.07.2012).
Общими недостатками указанных выше технических решений являются необходимость в процессе изготовления устройства реализовывать джозефсоновские переходы, что является сложной технологической операцией. Кроме того, использование джозефсоновских переходов ограничивает возможность миниатюризации устройства.
В открытой печати (A. Murphy, D. V. Averin, andA.Bezryadin "Nanoscalesuperconductingmemorybasedonthekineticinductanceofasyirmietri owireloops" NewJ. Phys. 19 (2017) 063015/ А. Мерфи, Д.В. Аверин, A. Безрядин "Сверхпроводниковая квантовая память нанометровых размеров на основе кинетической индуктивности асимметричной петли из нанопроводов" NewJ. Phys. 19 (2017) 063015) описана возможность создания магнитной ячейки памяти нанометровых размеров на основе кинетической индуктивности сверхпроводящих нанопроволок, которые уже показали много замечательных свойств. Это позволяет использовать гораздо меньшие устройства и, естественно, устраняет перекрестные помехи магнитного поля. Авторы показали, что спиральность, т.е. число витков параметра порядка в комплексном пространстве при обходе замкнутой сверхпроводящей петли, может быть использована для реализации наноразмерного энергонезависимого запоминающего устройства. Показано, как изменить спиральность под контролем калиброванных импульсов тока. Продемонстрировано надежное считывание памяти. Авторы приводят аргументы о том, что такая память может функционировать без диссипации энергии.
Недостатком известной реализации является отсутствие возможности создавать магнитное поле для каждой ячейки памяти, т.е. при объединении нескольких ячеек в регистр создавать свое отдельное поле для каждой из ячеек регистра.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемой полезной модели является техническое решение, описанное в статье А. Мерфи, Д.В. Аверин, А. Безрядин "Сверхпроводниковая квантовая память нанометровых размеров на основе кинетической индуктивности асимметричной петли из нанопроводов" NewJ. Phys. 19 (2017) 063015. Однако в известном устройстве отсутствует локальный источник магнитного поля. В известном устройстве магнитное поле вводится внешним магнитом и поэтому не может быть приложено отдельно к каждой ячейки памяти.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание сверхпроводящей ячейки памяти с возможностью контроля магнитного поля для отдельной ячейки, что позволит объединять подобные сверхпроводящие ячейки памяти в регистр.
Поставленная техническая задача решается тем, что в ячейке квантовой памяти на основе сверхпроводниковой наноструктуры с источником магнитного поля на чипе, включающей сверхпроводниковую тонкопленочную наноструктуру на диэлектрической подложке в виде двух сверхпроводящих контактов для подключения к источнику тока, соединенных между собой двумя расположенными параллельно друг другу сверхпроводящими нанополосками разных размеров, которые образуют замкнутую петлю, согласно предложенной полезной модели, параллельно сверхпроводящим нанополоскам сформированы две полоски с двумя токоподводами для подключения к источнику тока для создания в области замкнутой петли сверхпроводниковой наноструктуры магнитного поля.
Кроме того, сверхпроводящие нанополоски, контакты к ним и полоски, создающие магнитное поле, выполнены из нитрида ниобия.
Кроме того, сверхпроводящие контакты к нанополоскам имеют длину 2600 микрометров и ширину 800 микрометров при толщине менее 4-6 нанометров
Кроме того, сверхпроводящие нанополоски имеют длину 200 нанометров и ширину 50 и 65 нанометров при толщине от 4 до 6 нанометров.
Кроме того, полоски для создания в области сверхпроводниковой наноструктуры магнитного поля имеют толщину 500 нанометров, ширину 44 микрона и длину 440 микрометров.
Кроме того, полоски для создания в области сверхпроводниковой наноструктуры магнитного поля расположены на расстоянии, не превышающем 35 микрометров от наноструктуры.
Кроме того, ширина контактных площадок линии, создающей магнитное поле 800 микрометров, а длина 2600 микрометров.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупности существенных признаков полезной модели, состоит в обеспечении возможности управления количеством квантов магнитного потока, пронизывающего петлю, благодаря наличию локального источника магнитного поля в непосредственной близости от петли. Это достигается благодаря реализации сверхпроводящих наномостиков, образующих сверхпроводящее квантовое устройство вместе со структурой, создающей магнитное поле на одном чипе в едином технологическом процессе.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 показана структура ячейки с расположением контактных площадок к нанополоскам и полосок, создающих магнитное поле в области петли.
Рисунок содержит следующие позиции:
1 - диэлектрическая подложка;
2 - сверхпроводящие контакты для подключения к источнику тока;
3 - сверхпроводящие нанополоски;
4 - полоски, создающие магнитное поле;
5 - токопроводы.
Ячейка квантовой памяти (фиг. 1) образована на диэлектрической подложке (1) в виде двух сверхпроводящих контактов (2) для подключения к источнику тока, соединенных между собой двумя расположенными параллельно друг другу сверхпроводящими нанополосками разных размеров
(3), которые формируют замкнутую петлю. Для создания магнитного поля в области петли на данном планарном устройстве сформированы две полоски
(4) с двумя токоподводами (5) каждая для подключения к источнику тока. Сверхпроводящие нанополоски, контакты к ним и полоски, создающие магнитное поле, выполнены из нитрида ниобия. Выбор нитрида ниобия обусловлен тем, что из этого материала можно изготавливать тонкопленочные наноструктуры с высокой кинетической индуктивностью.
Сверхпроводящие контакты (2) к нанополоскам имеют длину 2600 микрометров и ширину 800 микрометров при толщине менее 6 нанометров. Сверхпроводящие нанополоски (3) имеют длину 200 нанометров и ширину 50 и 65 нанометров при толщине от 4 до 6 нанометров. Полоски (4) для создания в области сверхпроводниковой наноструктуры магнитного поля расположены параллельно сверхпроводящим нанополоскам и имеют толщину 500 нанометров, ширину 44 микрона и длину 440 микрометров. Они расположены на расстоянии, не превышающем 35 микрометров от наноструктуры. Ширина контактных площадок(5) линии, создающей магнитное поле 800 микрометров, а длина 2600 микрометров.
Выбор размеров нанополосок (3) и расстояния между ними обусловлены необходимостью реализовать сверхпроводящую петлю, в которой в относительно малых магнитных полях можно создать магнитный поток кратный нескольким квантам магнитного потока. Размеры полосок (4) оптимальны для реализации магнитных полей от 12 до 32 мТл, достаточных для создания нескольких квантов магнитного потока в области петли. Размеры контактных площадок (2) и (5) оптимальны для реализации электрического соединения, как с помощью пружинных контактов, так и методом ультразвуковой сварки.
Физический механизм работы устройства основан на следующем. Информация, записанная в ячейку памяти, зашифрована в различных квантовых состояниях сверхпроводящей петли, каждое из которых определяется числом квантов магнитного потока n, находящихся "внутри" петли, между двумя полосками. При определенном значении тока, проходящего через нанополоски, устройство переходит из сверхпроводящего состояния в резистивное. Такой ток называется критическим. В резистивном состоянии кванты магнитного потока способны проникать внутрь петли и выходить из нее случайным образом. Для считывания и записи квантовых состояний петли необходимо прикладывать магнитное поле в пределах от 12 мТл до 32 мТл. Такое поле создается током проводящей линии от 7.2 мА до 19.1 мА.
Для того чтобы записать состояние, необходимо подать переменный ток при одном из двух значений магнитного поля (в зависимости от состояния, которое нужно записать). При фиксированном магнитном поле критический ток устройства с разными квантовыми состояниями петли различен. Поэтому, подавая переменный ток, который выше критического тока состояния n-1, но ниже критического тока состояния n при определенном значении магнитного поля, можно создать внутри петли состояние с числом вихрей, которое соответствует состоянию n. Для этого следует совершить около 200 итераций с частотой -100 Гц.
Использование в криогенных компьютерах созданной ячейка квантовой памяти на основе сверхпроводниковой наноструктуры с источником магнитного поля на чипе, как единицы памяти, позволит увеличить производительность процессоров из-за отсутствия выделения тепла.