CN103608942A - 约瑟夫森磁开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于约瑟夫森（Josephson）超导体/绝缘体/铁磁体/超导体（SIFS）结的新型约瑟夫森开关。该约瑟夫森SIFS结具有铁磁性（F）势垒，该势垒的磁化可以由磁场脉冲控制。可以使用该结铁磁性（F）势垒的剩余磁化来控制此类SIFS结的临界电流。所提出的约瑟夫森磁性SIFS开关采用具有面内磁各向异性和微小矫顽场的弱铁磁性（F）薄膜内层（例如Pd0.99Fe0.01薄膜势垒）。Nb-Pd0.99Fe0.01-Nb SFS夹层结构可以由磁场脉冲在约瑟夫森临界电流的两个状态之间或者在零电阻和电阻状态之间切换。重要的是在没有任何施加电场的情况下临界电流状态在低温下在足够长时间内保持不变。所提出的约瑟夫森磁开关可以用作切换元件或与超导单通量量子数字电路兼容的存储器装置中的元件。

Description

约瑟夫森磁开关
背景技术
本发明涉及低温电学装置，并且更具体地涉及低温电学开关，其中可以经由控制电流线使用磁场脉冲控制电阻切换的阈值。例如，此类开关可以用作切换元件，用作与超导单通量量子（SFQ）数字电路兼容的存储器装置的元件，或者用于其他应用。本发明的约瑟夫森（Josephson）开关允许构建大容量低温存储器和用于SFQ电路工程学的其他装置，这些装置提供以下优点例如小面积单元、非破坏性的读出、快速、低功率且与SFQ制造工艺兼容。
长期以来已存在对快速且密集的超导存储器的需要。例如，一篇论文的作者已提出将快速约瑟夫森结构与分离铁磁点组合，该论文即R.Held，J.Xu，A.Schmehl，C.W.Schneider，J.Mannhart和M.R Beasley，“Superconductingmemory based on ferromagnetism”，Appl.Phys.Lett.89，163509（2006）。该存储器元件使用点磁化控制来存储数据并且使用常规隧道约瑟夫森结来读出数据。另外，在日本专利（JP3190175，YUZURIHARA等人，08/20/1991）中提出一种磁开关，其也使用常规约瑟夫森结作为磁通量检测器并且在该结外面使用抗铁磁膜，从而导致并维持施加到该结的磁通量。
本发明允许在超导体（S）和铁磁体（F）被封装在多层约瑟夫森SFS结构中的情况下使组合的超导体/铁磁体存储器元件显著地更加紧凑，其中铁磁体位于超导体层之间。
对具有交替磁性和非磁性层的金属多层系统的大量兴趣主要是由基于磁性和正常的金属分层结构的巨磁阻结构的探索和使用所导致的。此类应用的一个示例在以下出版物中描述：P.Grünberg，J.A.Wolf，R.Sch
Figure BDA0000385145300000011
fer，“Long RangeExchange Interactions in Epitaxial Layered Magnetic Structures”，Physica B221（1996）357；美国专利No.4949039“Magnetic field sensor with ferromagneticthin layers having magnetically antiparallel polarized components”。
也已经对基于超导性和铁磁性的共存的超导体/铁磁体（SF）多层系统产生显著的兴趣。在自旋排序上不同的这两种现象的对抗作用（antagonism）是在S材料和F材料的接触区中强烈抑制超导性的原因。然而，弱铁磁体的使用允许实现约瑟夫森SFS结构。另外，超导顺序参数并不简单地衰减到铁磁体而是也发生振荡，如在以下出版物中描述：A.I.Buzdin，“Proximity effectsin superconductor/ferromagnet heterostructures”，Rev.Mod.Phys.77（2005）935。
通过约瑟夫森SFS结的超导电流的首次观察由V.V.Ryazanov在“Josephson superconductor-ferromagnetic-superconductor rc-contact as anelement of a quanturu bit”，Phys.Usp.42（1999）825中描述。
约瑟夫森SFS结的具体特征已由发明人V.V.Ryazanov，V.A.Oboznov，“Device for the superconducting phase shift”专利RU97567（2010）；A.K.Feofanov，V.A.Oboznov，V.V Bol’ginov，J.Lisenfeld，S.Poletto，V.V.Ryazanov，A.N.Rossolenko，M.Khabipov，D.Balashov，A.B.Zorin，P.N.Dmitriev，V.P.Koshelets和A.V.Ustinov，“Implementation ofsuperconductor/ferromagnet/superconductor pi-shifters in superconducting digitaland quantum circuits”，Nature Physics6（2010）593用于超导相的实施。
SFS反相器中的铁磁（F）内层的磁性结构必须在电路中的磁场和电流发生较小改变时稳定，从而确保稳定相移。本发明提出在约瑟夫森SFS结（具有单个铁磁势垒）中应用F势垒的再磁化，从而维持并切换结临界电流状态。
通过在多层FSF系统中操纵铁磁（F）层的磁化的相互取向来实现自旋阀效应也已在G.Deutscher和F.Meunier，“Coupling Between FerromagneticLayers Through a Superconductor”，Phys.Rev.Lett22（1969）395中被描述。该作者在FSF（FeNi/In/Ni）三层上使用传输电阻（面内）实验测量F层磁化的反并行（AP）和并行（P）取向之间的超导转变温度Tc之差。他们观察到针对P取向的较低Tc。
L.R.Tagirov在“Low-Field Superconducting Spin Switch Based on aSuperconductor/Ferromagnet Multilayer”，Phys.Rev.Lett83（1999）2058中对该现象进行了的理论描述。
来自在对S层中的超导库伯对起作用的两个F层的平均交换场对于F层的AP磁化取向比P情况更小。P.V.Leksin，N.N.Garif’yanov，I.A.Garifullin，J.Schumann，H.Vinzelberg，V.Kataev，R.Klingeler，O.G.Schmidt和B.Büchner，“Full spin switch effect for the superconducting current in asuperconductor/ferromagnet thin film heterostructure”，Appl.Phys.Lett.97（2010）102505也观察到具有从电阻态（对于P取向）到超导态（对于AP取向）的SFF’三层的全切换的自旋阀效应。
A.I.Buzdin，A.V.Vedyaev和N.N.Ryzhanova，“Spin-orientation-dependent superconductivity in F/S/F structures”，Europhys.Lett.48（1999）686也描述了F层磁化的非共线取向的情况。该作者在该参考文献中仅考虑常规（自旋单对分量）。除此之外，F.S.Bergeret，A.F.Volkov和K.B.Efetov，“Enhancement of the Josephson Current by an Exchange Field inSuperconductor-Ferromagnet Structures”，Phys.Rev.Lett.86（2001）3140；“Oddtriplet superconductivity and related phenomena in superconductor-ferromagnetstructures”，Rev.Mod Phys.77（2005）1321预测了多层FS结构中的非共线F层磁化导致出现新的“自旋三重态成对分量”，其由于长程超导邻近效应而深入穿透到铁磁体中。
Ya.V.Fominov，A.A.Golubov和M.Yu.Kupriyanov，“Triplet proximityeffect in FSF trilayers”，JETP Lett.77（2003）510已经描述了与自旋三重态成对分量相关的FSF自旋阀性质。
在以下多个出版物中提出了约瑟夫森SFIFS和SFNFS自旋开关：V.N.Krivoruchko和E.A.Koshina，“From inversion to enhancement of the dcJosephson current in S/F-I-F/S tunnel structures”，Phys.Rev.B64（2003）172511；T.Yu.Karminskaya，M.Yu.Kupriyanov和A.A.Golubov，“Criticalcurrent in S-FNF-S Josephson structures with the noncollinear magnetizationvectors of ferromagnetic films”，JETP Lett.，87（2008）570；T.Yu.Karminskaya，M.Yu.Kupriyanov和V.V.Rjazanov.“Superconducting device with Josephsonjunction”，专利RU2373610C1。
全部这些提案都使用由非磁性正常金属（N）或电介质（I）分隔层分离的两个F层的相互磁化取向的改变引起的约瑟夫森临界电流量值的变化。在单畴状态中需要使用两个铁磁体层是这些装置的主要缺点。
发明内容
以下是本发明的图解实施例的简要描述。其被提供作为前言来帮助本领域技术人员更迅速地理解相继发生并且不意图以任何方式限制权利要求的保护范围的详细设计讨论，该权利要求附加于此以便特别指出本发明。
本发明的目标是基于超导体/绝缘体/铁磁体/超导体（SIFS）结的新型约瑟夫森开关，其具有一个多畴或单畴铁磁性内层和由铁磁性内层（F势垒）的磁化改变来控制的临界电流。F势垒是确保约瑟夫森效应即超导电流流过两个超导（S）层之间的铁磁性内层的可能性的弱链路。所提出的装置在图1中示意性示出。它包含与用于供应磁场脉冲的控制电流线6感应耦合的约瑟夫森SIFS结1。脉冲改变F层的剩余磁化。由于磁化改变，F势垒3的净磁感B变化，并且根据约瑟夫森结的“夫琅和费”Ic(B)相关性将结临界电流值Ic移位（例如参见A.Barone，G.Paterno，“Physics and Applications of the JosephsonEffect”，Wiley-Interscience Publication，1982，Ch.4）。
使用磁场脉冲SIFS结可以在具有不同临界电流Ic值的两个稳定状态之间重复切换。当存在经过SIFS结的恒定“读出电流”Iread时，该装置在超导（零电阻）状态和电阻状态之间切换。重要的是临界电流状态在没有施加任何电场的情况下在低温下保持充分长的时间基本不变。
图2示出在温度等于T=4.2K的情况下临界电流如何依赖于具有弱铁磁性Pd0.99Fe0.01势垒的Nb-Pd0.99Fe0.01-Nb夹层状结构中的磁场。箭头示出所施加的磁场循环的方向。图2表明Ic(H)行为是可逆的，并且极右和极左状态对应于不同的临界电流值。Ic(H)依赖性的再磁化环路在零磁场中具有两个临界电流值。因此，有可能挑选偏置电流量（在图2中Iread=240μA），从而由弱磁场的脉冲将SFS结从超导状态切换到电阻状态。这种实验的结果在图3中展示，其中正负磁场脉冲将SFS结从超导（零电阻）状态切换到电阻状态并切换回到超导状态。
为提高开关的速度，必须减小如图1所示的控制电流线6的电感以及约瑟夫森结的切换时间τJ=Φ0/(2πIcRn)，其中Φ0是磁通量量子，Ic是结临界电流，并且Rn是结正常电阻。在结中使用附加隧道层I（即，使用附加绝缘体内层制造SIFS夹层结构）使得能够实现高达10-4V的增大Vc=IcRn和切换时间的显著减小。使用SIFS（Nb-AlOx-Pd0.99Fe0.01-Nb）结的实验的结果在图4和图5中展示。
附图说明
图1示出本发明的约瑟夫森磁开关。
图2展示具有弱铁磁性Pd0.99Fe0.01内层的Nb-Pd0.99Fe0.01-Nb SFS约瑟夫森结的临界电流Ic(H)的磁场依赖性。
图3示出磁场脉冲和SFS结从超导（零电阻）状态到电阻状态的相应切换的时序图。
图4示出SIFS结（Nb-AlOx-Pd0.99Fe0.01-Nb）的I-V特性，其中Vc=IcRn=10-4V并且温度T=2.2K。
图5示出磁场脉冲和SIFS（Nb-AlOx-Pd0.99Fe0.01-Nb）结从超导（零电阻）状态到电阻状态的相应切换的时序图。
具体实施方式
图1展示本发明的约瑟夫森磁开关（JMS）。该JMS包含多层的超导体/绝缘体/铁磁体/超导体（SIFS）约瑟夫森结1，其具有夹在两个超导层（S电极）2之间的多畴或单畴铁磁性内层（F势垒）3和绝缘体（I）内层4。IF势垒是允许约瑟夫森效应即超导电流在S电极之间流动的可能性的弱链路。
本发明的JMS也包含偏置电流电路5和磁脉冲电路6，其中偏置电流电路5施加偏置结电流，而磁脉冲电路6是用于供应磁场脉冲的控制电流线。偏置电路5也提供约瑟夫森结1的电阻状态和超导状态的控制。附加绝缘体隧道中间层（I势垒）允许减小JMS切换时间。
本发明的JMS操作基于约瑟夫森SIFS结铁磁性内层的重复再磁化，由此该结可以在具有不同临界电流Ic值的两个稳定状态之间重复切换，如图2所示。在均匀磁化的情况下，约瑟夫森SIFS结具有临界电流Ic对穿过结面积的磁通量Φ的准周期性（“夫琅和费”）依赖性：
Ic(Φ)=Ic0sin(πΦ/Φ0)/(πΦ/Φ0)。
这里Φ=BdmL，B是铁磁性内层的平均磁感应强度，dm是约瑟夫森结的“磁性厚度”，L是在垂直于平均磁感应强度B的方向上的结尺寸，Φ0是磁通量量子。
这里Φ=BdmL，B是铁磁性内层的平均磁感应强度，dm是约瑟夫森结的“磁性厚度”，L是在垂直于平均磁感应强度B的方向上的结尺寸，Φ0是磁通量量子。
在零外部磁场中，临界电流值Ic(H=0)取决于剩余磁化值M。在原始状态M等于零并且磁通量Φ也等于零。从具有平均畴结构的原始状态到铁磁性内层的饱和磁化的磁化过程以及从均匀饱和状态到剩余磁化的再磁化过程导致JMS运行所需要的“零场”临界电流的急剧改变。
另外，具有亚微米单畴势垒的SIFS结也可以用作约瑟夫森磁开关，即有可能实现具有单畴F势垒的约瑟夫森磁开关。为实现这种磁开关，有必要获得具有F层的特定易磁化轴的SIFS结。例如，具有沿着长边a的易磁化轴和沿着短边b～a/2的亚稳定磁性状态的矩形F层将是方便的。如果饱和磁通量密度是BS并且铁磁层厚度是d，则穿过结的磁通量在BS的方向与易磁化轴一致时的初始状态中等于Φ1～Bdb，并且在B沿着b轴定向时的亚稳定状态中为Φ2=Bda。临界电流在这两种状态中可以显著不同。
基于F层再磁化的本发明的约瑟夫森磁开关使用具有面内磁各向异性的弱铁磁性合金，该面内磁各向异性在零磁场中提供微小的超导性衰减和穿过结的非零磁通量。具有低Fe含量的弱软磁性PdFe合金可以用于此目的。参见C.Büscher，T.Auerswald，E.Scheer E等人，Phys Rev B46（1992）983。例如，具有34nm厚度的Pd0.99Fe0.01合金的薄层具有约15K的居里温度。
图2和图3示出具有这种势垒的SFS结如何作为约瑟夫森磁开关进行操作。由于面内磁各向异性和微小的矫顽磁场，因此具有仅约1Oe的幅值的磁场脉冲足以将SFS结从超导状态切换到电阻状态并且反之亦然。前述JMS的F层由约8-10μm的磁畴尺寸和约5-10Oe的饱和场表征。因此，具有30×30μm2横向尺寸的结（图2、图3）由于畴结构的再磁化而进行操作。
当SFS结尺寸接近畴尺寸时，正负场符号的Ic(H)依赖性的两个分支变为相对于原点对称，因此正负剩余磁化的临界电流值一致。为实现两种不同的状态，有必要使用不同幅值的正负脉冲（如图5所示）或施加附加DC场偏移。
制造工艺的示例开始于在单真空循环中的Nb-PdFe-Nb（或Nb-Al/AlOx-PdFe-Nb）多层沉积。首先，120nm Nb（和10nm Al）厚度的Nb层（或Nb-Al双层）借助于磁控溅射来沉积。在SIFS结的情况下，Al层在1.5×10-2mBar的氧气气氛中氧化30分钟。这些加工参数允许提供适用于4kA/cm2的临界电流密度的隧道势垒的透明度。然后氧气被泵出并且使用射频和直流磁控溅射来沉积PdFe-Nb双层。具有约30nm厚度的Pd0.99Fe0.01层可以被用于SFS结，并且约12-15nm的厚度可以被用于SIFS结。
顶部Nb层厚度可以更大（约120-150nm）以确保均匀的超导电流流过约瑟夫森结。在第二步，30×30μm2或10×10μm2的正方形“台面”可以通过光刻工艺、顶部Nb层的RIE蚀刻以及PdFe和Al/AlOx层的氩等离子体蚀刻来形成。
然后底部Nb电极可以使用光刻和RIE蚀刻工艺来图案化。在第三步，具有窗口的绝缘层可以通过应用SiO的热蒸发和剥离工艺来形成。
在最后一步，具有450nm厚度的Nb布线电极可以使用磁控溅射和剥离光刻工艺来形成。
上面描述的制造技术与SFQ电路制造的现代Nb-AlOx技术兼容。
根据本发明构建的约瑟夫森存储器元件的开关速度取决于磁脉冲控制电流线的电感和SIFS结的切换时间。后者是τJ=Φ0/(2πIcRn)。IcRn的获得值～10-4V对应于约100GHz的常规约瑟夫森隧道结的切换速率。因此，有限的切换频率受F层再磁化速率约束。最优结果似乎由微小单畴铁磁势垒的再磁化来确保。
为了图示说明和描述的目的已经展示了本发明的各种实施例的前面描述。许多修改和变化是可能的。对本领域技术人员显而易见的是此类修改和变化意欲包括在随附权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种约瑟夫森磁开关，其包含：
多层超导体/绝缘体/铁磁体/超导体即SIFS约瑟夫森结，其中第一外层由第一超导材料制成，第二外层由第二超导材料制成，第一内层由铁磁体制成，并且第二内层由绝缘体材料制成；
偏置电流电路；以及
磁脉冲控制电流线。
2.根据权利要求1所述的约瑟夫森磁开关，其中所述第一外侧和所述第二外层由相同的超导材料制成。
3.根据权利要求1所述的约瑟夫森磁开关，其中所述第一内层由多畴铁磁体制成。
4.根据权利要求1所述的约瑟夫森磁开关，其中所述第一内层由单畴铁磁体制成。
5.根据权利要求1所述的约瑟夫森磁开关，其中所述铁磁体由大于零的磁滞宽度表征。
6.根据权利要求1所述的约瑟夫森磁开关，其中所述磁脉冲控制线能够为再磁化所述铁磁体提供磁场脉冲。
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