УСТРОЙСТВО СДВИГА СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ФАЗЫ

Полезная модель относится к криоэлектронным приборам и может быть использована в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.
Устройства сдвига сверхпроводящей фазы и, особенно, сверхпроводящие пассивные инверторы фазы, сдвигающие фазу между двумя сверхпроводящими электродами на π, являются необходимыми элементами для дальнейшего развития цифровой сверхпроводниковой (джозефсоновской) электроники. Включение в существующую архитектуру сверхпроводящей электроники устройств сдвига сверхпроводящей фазы на π позволяет применять новые алгоритмы, не связанные с использованием дополнительных токовых смещений и наличием в логических ячейках геометрической индуктивности.
Известно устройство сдвига сверхпроводящей фазы («Simple phase bias for superconducting circuits» J.B.Majer, J.R.Butcher, and J.E.Mooij, Appl. Phys. Lett. 80, 3638, 2002), состоящее из двух сверхпроводящих электродов и фазосдвигающего элемента в виде сверхпроводящего кольца с захваченным магнитным потоком, при этом электроды имеют контакт с фазосдвигающим элементом в его диаметрально расположенных точках. Фазосдвигающий элемент имеет однослойную тонкопленочную структуру.
Вышеописанное устройство сдвига сверхпроводящей фазы может обеспечивать инверсию разности фаз, т.е. сдвиг точно на π. Следует, однако, отметить, что для запуска устройства требуется проведение ряда трудоемких операций (пропускание тока через специальную контрольную шину, нагревание кольца выше критической температуры и т.п.). Это осложняет работу с таким устройством. Кроме того, запуск сопровождается прерыванием сверхпроводимости на время, необходимое для вхождение кванта потока в кольцо. При этом существует вероятность захвата четного числа квантов магнитного потока, не меняющих разности фаз на электродах, что делает устройство нефункциональным.
Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство сдвига сверхпроводящей фазы, описанное в US Patent Application Publication 2003/0027742 A1, G.Rose, et al, 06.02.2003. Устройство содержит два сверхпроводящих электрода и фазосдвигающий элемент из одного или нескольких фазосдвигающих слоев, при этом фазосдвигающие слои представляют собой или сверхпроводники со сложной симметрией сверхпроводящего параметра порядка, или ферромагнетики. Сверхпроводящие электроды могут быть соединены с фазосдвигающим элементом разными способами в зависимости от типа слоев и механизма сдвига сверхпроводящей фазы в них. По сравнению с вышеописанным, такое устройство сдвига сверхпроводящей фазы надежнее и удобнее в эксплуатации: облегчен его запуск, не требуется установка дополнительных токоподводов и источников поля. Недостатками этого устройства является сложность технологических операций получения многослойного фазосдвигающего элемента и создания контактов слоев между собой и/или с электродами под определенными углами по отношению к кристаллографическим осям. Фазосдвигающий элемент, включающий ферромагнитный слой имеет ограниченное применение в области сверхпроводящей электроники, поскольку не обеспечивает сдвиг фазы на величину точно к, в связи с тем, что наряду с физическим механизмом вращения фазы обменным полем ферромагнетика наблюдается также механизм вращения фазы магнитной индукцией, возникающей в ферромагнетике.
Задачей настоящего технического решения является создание устройства сдвига сверхпроводящей фазы с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего сдвиг сверхпроводящей фазы точно на π за счет исключения дополнительных сдвигов сверхпроводящей разности фаз на джозефсоновском контакте сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS-контакте).
Поставленная задача решена устройством сдвига сверхпроводящей фазы, состоящим из двух сверхпроводящих электродов и фазосдвигающего элемента с одним тонкопленочным фазосдвигающим слоем из ферромагнетика с перпендикулярной магнитной анизотропией и усредненной мелкодоменной магнитной структурой с нулевой средней намагниченностью, при этом фазосдвигающий слой расположен между сверхпроводящими электродами в единой трехслойной структуре.
Данное техническое решение иллюстрируется фигурами 1-4.
Фиг.1. Конструкция устройства сдвига сверхпроводящей фазы (схема).
Фиг.2. Схематическое изображение (сверху) и микрофотография (снизу) базисных ячеек цифровой сверхпроводниковой логики: а) со встроенным устройством сдвига сверхпроводящей фазы на основе сплава Cu/Ni; b) без устройства сдвига сверхпроводящей фазы (контрольная ячейка).
Фиг.3. Сдвиг зависимости критического тока от приложенного магнитного поля точно на половину периода (π) при использовании встроенного устройства сдвига сверхпроводящей фазы на основе сплава Cu/Ni.
Фиг.4. Микрофотографии доменной структуры ферромагнитного слоя полученной с помощью высокоразрешающей методики декорирования магнитными частицами: а) - в перпендикулярном поле 100 Гс, b) - в перпендикулярном поле 250 Гс.
Предлагаемое устройство сдвига сверхпроводящей фазы включает сверхпроводящие электроды 1 и 2, фазосдвигающий элемент 3. Сверхпроводящие тонкопленочные электроды изготавливаются известными способами, например, электрод 1 формируется нанесением слоя сверхпроводника на диэлектрическую подложку 4, электрод 2 - нанесением на фазосдвигающий слой 3. Толщина тонкопленочных электродов 1 и 2 превышает глубину проникновения магнитного поля и зависит от используемого материала. Например, при использовании пленок из ниобия она находится в интервале 100-150 нм.
Фазосдвигающий элемент 3 состоит из одного слоя, выполненного из ферромагнитного материала с перпендикулярной магнитной анизотропией и усредненной мелкодоменной магнитной структурой с нулевой средней намагниченностью. Ферромагнитный фазосдвигающий слой, например, из сплава Cu/Ni, расположен между сверхпроводящими электродами 1 и 2 и образует с ними единую трехслойную структуру. При такой организации переход «сверхпроводник - ферромагнетик - сверхпроводник» (джозефсоновский SFS переход) обеспечивается оптимальный электрический контакт между слоями «электрод 1 - фазосдвигающий слой 3 - электрод 2. Геометрию и размеры устройства формируют вспомогательные элементы 5, выполненные из любого диэлектрика.
Следует отметить, что технология изготовления заявляемого устройства значительно облегчена по сравнению с технологиями приготовления аналогов. Для изготовления заявляемого устройства выполняется последовательное осаждение слоев 1, 2. 3 в рамках одного технологического тонкопленочного процесса.
Экспериментальные исследования показали, что выполнение фазосдвигающего устройства из трех слоев: S-F-S, где F - слой из ферромагнетика с перпендикулярной магнитной анизотропией и усредненной мелкодоменной магнитной структурой с нулевой средней намагниченностью, позволяет исключить дополнительные сдвиги сверхпроводящей фазы магнитной индукцией ферромагнетика и тем самым обеспечить сдвиг фазы точно на π.
Ниже приводятся результаты испытаний предлагаемого устройства 6, встроенного в базисную ячейку цифровой сверхпроводниковой логики (Фиг.2), где 7 - джозефсоновские (шунтированные) туннельные переходы, 8 - сверхпроводящие соединяющие шины. Все сверхпроводящие электроды джозефсоновских переходов и сверхпроводящие соединяющие шины выполнены известным способом из тонкопленочного ниобия. На Фиг.3 показаны результаты испытаний базисной ячейки цифровой сверхпроводниковой логики со встроенным устройством сдвига сверхпроводящей фазы на основе сплава Cu/Ni и контрольной ячейки (без устройства сдвига сверхпроводящей фазы). Использование заявляемого устройства обеспечивает сдвиг рабочей характеристики ячейки (критического тока в зависимости от приложенного магнитного поля) точно на половину периода (π).
Фазосдвигающий слой с мелкодоменной магнитной структурой (Фиг.4) выполнен из сплава Cu/Ni осаждением методом ВЧ-диодного ионно-плазменного распыления. Доменная структура была визуализирована непосредственно с помощью прецизионной техники декорирования ферромагнитными наночастицами. На Фиг.4 представлены микрофотографии доменной структуры, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Темные и светлые участки соответствуют различному знаку намагниченности доменов, направленной перпендикулярно плоскости Cu/Ni-слоя, о чем свидетельствует лабиринтная доменная структура, типичная для ферромагнетиков с перпендикулярной магнитной анизотропией. Структура, представленная на Фиг.4а, сохраняется практически без изменений вплоть до магнитных полей 150 Гс в случае, когда поле приложено перпендикулярно Cu/Ni слою, и до полей в несколько сот Гс, в случае, когда они приложены вдоль Cu/Ni слоя. Перпендикулярная магнитная анизотропия Cu/Ni слоев является одной из главных причин, почему приложение смещающих токов и небольших магнитных полей не воздействуют заметно на доменную структуру слоев. Переход в ферромагнитное состояние фазосдвигающего Cu/Ni-слоя происходит при температуре значительно ниже комнатной температуры, поэтому каждое охлаждение сверхпроводящих базисных ячеек до рабочих температур (4.2 К) приводит к размагничиванию Cu/Ni-слоя, т.е. в рабочем режиме магнитная индукция хорошо усреднена.
Таким образом, настоящее техническое решение определяет реализацию устройства сдвига сверхпроводящей фазы с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками, а именно: обеспечивает сдвиг сверхпроводящей фазы точно на π за счет исключения дополнительных сдвигов сверхпроводящей фазы; устойчиво функционирует в широких диапазонах параметров сверхпроводящих цифровых электронных микросхем; реализуется в рамках одного технологического тонкопленочного процесса.