DE102008036993B4

DE102008036993B4 - Geometric Π-Josephson contact

Info

Publication number: DE102008036993B4
Application number: DE102008036993A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Gumann Andreas; Dr. Iniotakis Christian; Prof. Dr. Schopohl Nils
Original assignee: Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Current assignee: Gumann Andreas Dr Ch; Iniotakis Christian Prof Dr De; Schopohl Nils Prof Dr De
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2028-08-09
Also published as: WO2009019040A3; WO2009019040A2; DE102008036993A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Josephson-Kontaktes dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete supraleitende Material ein unkonventioneller Supraleiter mit wechselndem Vorzeichen des Paarpotentials Δ(r→ , k→ ) für verschiedene Wellenvektoren k→ ist, die den Josephson-Kontakt bestimmende schwache Kopplung der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion auf beiden Seiten des Josephson-Kontaktes durch eine räumliche Einengung des supraleitenden Materials oder durch die räumliche Einengung der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion innerhalb des supraleitenden Materials erzeugt wird, die Orientierung der zuvor genannten räumlichen Einengung relativ zu den Kristallachsen des verwendeten supraleitenden Materials derart gewählt ist, dass der Strom über den Josephson-Kontakt zwei Anteile hat, nämlich den Anteil der Cooper-Paare, die die Engstelle ohne Reflektion passieren, und den Anteil der phasenkohärenten Elektronen, die den Josephson-Kontakt mit einer oder mehreren Reflektionen an Grenzflächen im Josephson-Kontakt oder dessen Umgebung so durchfließen, dass das Vorzeichen des Paarpotentials Δ(r→ , k→ ) in Richtung der Wellenvektoren k→ dieses Anteils des Stromes mit der Fermi-Geschwindigkeit ν→ F(k→ ) auf...Device for producing a Josephson contact, characterized in that the superconducting material used is an unconventional superconductor with an alternating sign of the pair potential Δ (r →, k →) for different wave vectors k →, which is the weak coupling of the macroscopic quantum mechanical wave function that determines the Josephson contact is generated on both sides of the Josephson contact by a spatial narrowing of the superconducting material or by the spatial narrowing of the macroscopic quantum mechanical wave function within the superconducting material, the orientation of the aforementioned spatial narrowing relative to the crystal axes of the superconducting material used is chosen such that the current through the Josephson contact has two parts, namely the part of the Cooper pairs that pass the constriction without reflection, and the part of the phase-coherent electrons that make the Josephson contact with an ode r flow through several reflections at interfaces in the Josephson contact or its surroundings such that the sign of the pair potential Δ (r →, k →) in the direction of the wave vectors k → this component of the current with the Fermi velocity ν → F (k →) on...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur technischen Realisierung eines π-Josephson-Kontaktes, also eines Josephson-Kontaktes, der eine intrinsische Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ von ϕ = π aufweist und deshalb eine Strom-Phasen-Beziehung der Form I = |I_c|·sin(ϕ + π) = –|I_c|·sin(ϕ)besitzt. Als Josephson-Kontakt wird allgemein ein Übergang verstanden, bei welchem zwei makroskopische Wellenfunktionen miteinander gekoppelt sind, so dass sich der Josephson-Effekt zeigt.The invention relates to a device for the technical realization of a π-Josephson junction, ie a Josephson junction, which has an intrinsic difference in the phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ of φ = π and therefore a current-phase relationship of the form I = | I _c | · sin (φ + π) = - | I _c | · sin (φ). Josephson contact is generally understood to mean a transition in which two macroscopic wave functions are coupled together, so that the Josephson effect is exhibited.

Josephson-Kontakte können unter anderem dazu verwendet werden, schnelle logische Schaltungen basierend auf der gezielten Manipulation einzelner Flussquanten in Supraleitern aufzubauen (Rapid Single Flux Quantum bzw. RSFQ Logic) [1]. Durch die hohen möglichen Taktraten und die niedrigen Verlustleistungen können mit RSFQ-Logic in verschiedensten Bereichen bekannte elektronische Schaltungen entscheidend verbessert und ergänzt werden [2]. Derartige digitale supraleitende Schaltungen können durch den gleichzeitigen Einsatz von Josephson-Kontakten und π-Josephson-Kontakten erheblich verbessert werden, da damit die Möglichkeit gegeben ist, zueinander komplementäre logische Bausteine zu erzeugen [3]. Dadurch kann auf zusätzliche Stromquellen zur Erzeugung bistabiler Zustände verzichtet werden [4]. Gleichzeitig kann beim Einsatz von Josephson-Kontakten und π-Josephson-Kontakten die Induktivität der elementaren Zellen dieser Schaltungen verringert und dadurch ihre Größe reduziert werden [5]. Die dabei zu verwendenden Josephson-Kontakte und π-Josephson-Kontakte müssen allerdings vergleichbare Eigenschaften haben, insbesondere müssen ihre kritischen Ströme I_c und ihre Widerstände im Normalzustand R_N ähnliche Werte aufweisen. Des Weiteren sollten die Kontakte in großer Zahl auf engem Raum fertigbar sein.Among other things, Josephson junctions can be used to build fast logic circuits based on the targeted manipulation of single flux quanta in superconductors (Rapid Single Flux Quantum or RSFQ Logic) [1]. Due to the high possible clock rates and the low power losses, RSFQ-Logic can decisively improve and complement well-known electronic circuits in various fields [2]. Such digital superconducting circuits can be significantly improved by the simultaneous use of Josephson junctions and π-Josephson junctions, as it provides the opportunity to generate mutually complementary logic devices [3]. As a result, it is possible to dispense with additional current sources for generating bistable states [4]. At the same time, the use of Josephson junctions and π-Josephson junctions can reduce the inductance of the elementary cells of these circuits and thereby reduce their size [5]. However, the Josephson junctions and π-Josephson junctions to be used in this case must have comparable properties; in particular, their critical currents I _c and their resistances in the normal state R _{N must have} similar values. Furthermore, the contacts should be manufacturable in large numbers in a small space.

Stand der TechnikState of the art

Bisherige Realisierungen von π-Josephson-Kontakten basieren auf Korngrenzen von Hochtemperatur-Supraleitern [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12], auf Supraleiter-Ferromagnet-Supraleiter- oder Supraleiter-Isolator-Ferromagnet-Supraleiter-Schichtsystemen bzw. allgemein auf spin-aktiven supraleitenden Schichtstrukturen [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21] oder auf Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter-Systemen mit einer Nichtgleichgewichtsverteilung der Elektronen im Normalleiter [22, 23, 24, 25, 26, 27].Previous realizations of π-Josephson junctions based on grain boundaries of high temperature superconductors [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12], on superconductor ferromagnet-superconductor or superconductor-insulator-ferromagnet-superconductor layer systems or generally on spin-active superconducting layer structures [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21] or on superconductor-normal-conductor superconductor systems with a nonequilibrium distribution of the electrons in the normal conductor [22, 23, 24, 25 , 26, 27].

In der Patentschrift WO 02/069411 A2 [28] ist eine Vorrichtung beschrieben, die eine Realisierung eines π-Josephson-Kontaktes entsprechend der ersten beiden zuvor genannten Möglichkeiten beinhaltet. Diese Vorrichtung basiert jedoch auf komplexer Strukturierung verschiedener Materialien in Mehr-Lagen-Technik.In the patent WO 02/069411 A2 [28] a device is described, which includes a realization of a π-Josephson contact according to the first two aforementioned possibilities. However, this device is based on complex structuring of various materials in multi-layer technique.

In der Patentschrift WO 99/14811 A1 [29] ist eine Vorrichtung beschrieben, die aufgrund der in [22, 24, 25] beschriebenen Eigenschaften zur Realisierung eines π-Josephson-Kontaktes entsprechend der dritten zuvor genannten Möglichkeit verwendet werden kann. Diese Realisierung bedarf jedoch der Strukturierung verschiedener Materialien in Mehr-Lagen-Technik und zusätzlicher Kontrollleitungen, um die gewünschte Eigenschaft des π-Josephson-Kontaktes zu erhalten.In the patent WO 99/14811 A1 [29] a device is described which, due to the properties described in [22, 24, 25], can be used to realize a π-Josephson junction according to the third possibility mentioned above. However, this realization requires the structuring of various materials in multi-layer technique and additional control lines to obtain the desired property of the π-Josephson junction.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik erlaubt es keine der genannten Realisierungen, π-Josephson-Kontakte in großer Stückzahl auf einem einzigen Substrat in Ein-Lagen-Technik zu erzeugen und diese supraleitend und/oder normalleitend miteinander zu verbinden.According to the current state of the art, none of the above-mentioned realizations makes it possible to produce large quantities of π-Josephson contacts on a single substrate in a one-layer technique and to connect them together in a superconducting and / or normal conducting manner.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Realisierung von π-Josephson-Kontakten basierend auf Filmen von Supraleitern zu schaffen. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, dass derartige Kontakte in großer Stückzahl in Ein-Lagen-Technik auf einem Substrat zu fertigen sind und diese einfach supraleitend und/oder normalleitend verbunden werden können.The object of the invention is to provide a simple realization of π-Josephson junctions based on films of superconductors. Furthermore, the object of the invention is that such contacts are to be manufactured in large numbers in one-layer technique on a substrate and these can be connected easily superconducting and / or normal conducting.

Lösung der ErfindungSolution of the invention

Die zuvor beschriebene Aufgabe wird durch Vorrichtungen mit den in den Patentansprüchen wiedergegebenen Merkmalen gelöst. Solche erfindungsgemäßen Vorrichtungen (im Folgenden als geometrischer π-Josephson-Kontakt bezeichnet) zeigen das Verhalten eines π-Josephson-Kontaktes, weisen also eine intrinsische Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ von ϕ = π auf und besitzen deshalb eine Strom-Phasen-Beziehung der Form I = |I_c|·sin(ϕ + π) = –|I_c|·sin(ϕ). Dabei bezeichnet I_c den kritischen Strom des Kontaktes, also den maximalen Suprastrom, der über den Kontakt fließen kann.The above-described object is achieved by devices having the features given in the patent claims. Such devices according to the invention (hereinafter referred to as geometric π-Josephson junction) show the behavior of a π-Josephson junction, ie have an intrinsic difference of the phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ of φ = π and therefore have a current Phase relationship of the form I = | I _c | · sin (φ + π) = - | I _c | · sin (φ). Here, I _c denotes the critical current of the contact, ie the maximum supercurrent that can flow through the contact.

Es ist bekannt, dass der Josephson-Effekt immer dann auftritt, wenn die makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktionen zweier Supraleiter schwach gekoppelt sind.It is known that the Josephson effect always occurs when the macroscopic quantum mechanical wave functions of two superconductors are weakly coupled.

Dies kann, unter diversen anderen Möglichkeiten, durch eine räumliche Einengung des supraleitenden Materials erreicht werden, was oft als „weck link” bezeichnet wird. Für den Gleichstrom-Josephson-Effekt folgt dann eine Beziehung zwischen Gesamtstrom über den Kontakt I und Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ in der Form I = |I_c|·sin(ϕ) [18, 30].This can be achieved, among various other possibilities, by a spatial constriction of the superconducting material, which is often referred to as "wake link". For the D.C. Josephson effect, then, a relationship follows between total current across the contact I and difference in the Phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ in the form I = | I _c | · sin (φ) [18, 30].

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dem geometrischen π-Josephson-Kontakt, wird die schwache Kopplung der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktionen auf beiden Seiten des Kontaktes durch eine räumliche Einengung des supraleitenden Materials oder durch die räumliche Einengung der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion, z. B. über Einengungsmittel wie beispielsweise eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magentfeldes im Breich der Kontakte, also in der Form eines weck link realisiert. Allerdings wird durch die gezielte Wahl des supraleitenden Materials und durch die gezielte Strukturierung der Geometrie des Kontaktes beeinflusst, auf welche Art und Weise der Stromfluss über den Kontakt geschieht und welche Form der Strom-Phasen-Beziehung daraus folgt. Durch die genannten Merkmale wird erreicht, dass der Kontakt eine intrinsische Phasendifferenz von ϕ = π aufweist und folglich eine Strom-Phasen-Beziehung der Form I = |I_c|·sin(ϕ + π) = –|I_c|·sin(ϕ) zeigt.In the device according to the invention, the geometric π-Josephson contact, the weak coupling of the macroscopic quantum mechanical wave functions on both sides of the contact by a spatial constriction of the superconducting material or by the spatial narrowing of the macroscopic quantum mechanical wave function, z. B. on constricting means such as a device for generating a Magentfeldes Breich the contacts, ie realized in the form of a wake link. However, the selective choice of the superconducting material and the targeted structuring of the geometry of the contact influence the way the current flows through the contact and the shape of the current-phase relationship. It is achieved by the features mentioned that the contact has an intrinsic phase difference of φ = π and consequently a current-phase relationship of the form I = | I _c | · sin (φ + π) = - | I _c | · sin ( φ) shows.

Es ist bekannt, dass das Vorzeichen des Paarpotentials Δ(r →, k →) in unkonventionellen Supraleitern in Abhängigkeit des Wellenvektors k → wechselt [31]. zu den unkonventionellen Supraleitern zählen unter anderem auch die Hochtemperatur-Supraleiter mit Kupfer-Oxid-Schichten in der Kristallstruktur (Kuprate), die eine dominante d_x²-y² bzw. d_xy-Symmetrie des Paarpotentials Δ(r →, k →) aufweisen (oft abkürzend als d-Wellen-Symmetrie bezeichnet) [7, 10].It is known that the sign of the pair potential Δ (r →, k →) in unconventional superconductors changes as a function of the wave vector k → [31]. among the unconventional superconductors include the high-temperature superconductors with copper-oxide layers in the crystal structure (cuprates), which have a dominant d _x²-y² or d _xy symmetry of the pair potential Δ (r →, k →) ( often abbreviated as d-wave symmetry) [7, 10].

An der Grenzfläche eines Supraleiters werden die Fermi-Geschwindigkeiten ν →F(k →) einfallender Quasiteilchen entsprechend den Regeln ν →_Fn ^(k →_in)·n ^ = –ν →_F(k →_out)·n ^ ν →_F(k →_in)·t ^ = ν →_F(k →_out)·t ^ reflektiert. Hierbei bezeichnet n ^ den Normal- und t ^ den Tangentialvektor der Grenzfläche. In unkonventionellen Supraleitern führt dies zu gebundenen Andreev-Zuständen an der Grenzfläche des Supraleiters, wenn die Grenzfläche derart orientiert ist, dass das Vorzeichen des Paarpotentials Δ(r →, k →) entlang des einlaufenden Wellenvektors k →_in und des auslaufenden Wellenvektors k →_out verschieden ist. Diese gebundenen Andreev-Zustände zeigen sich im Spektrum der Quasiteilchen-Anregungen als lokale Maxima bei der Energie E = 0 und werden deshalb auch als „zero energy bound states” bezeichnet.At the interface of a superconductor, the Fermi velocities ν → F (k →) of incident quasiparticles become the rules ν → _F n ^ (k → _in ) · n ^ = -ν → _F (k → _out ) · n ^ ν → _F (k → _in ) · t ^ = ν → _F (k → _out ) · t ^ reflected. Here n ^ denotes the normal and t ^ the tangent vector of the interface. In unconventional superconductors, this leads to bound Andreev states at the interface of the superconductor when the interface is oriented such that the sign of the pair potential Δ (r →, k →) along the incoming wave vector k → _in and the outgoing wave vector k → _out is different. These bound Andreev states show up in the spectrum of the quasiparticle excitations as local maxima at the energy E = 0 and are therefore also called "zero energy bound states".

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dem geometrischen π-Josephson-Kontakt, wird die Existenz von gebundenen Andreev-Zuständen an geeignet orientierten Grenzflächen von unkonventionellen Supraleitern ausgenutzt, um einen Josephson-Kontakt mit einer intrinsischen Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ von ϕ = π zu erzeugen. Dazu ist die Geometrie des Kontaktes derart angelegt, dass die Fermi-Geschwindigkeiten ν →_F(k →) des Stromes, wenigstens aber eines Anteils des Gesamtstromes, beim Passieren des Kontaktes an einer Grenzfläche reflektiert werden. Diese Reflektion muss dabei derart stattfinden, dass das Vorzeichen des Paarpotentials Δ(r →, k →) zwischen einfallendem Wellenvektor k →_in und ausfallendem Wellenvektor k →_out wechselt. Aus dem Vorzeichenwechsel des Paarpotentials Δ(r →, k →) entlang des Wellenvektors k → folgt dann die Existenz von gebundenen Andreev-Zuständen im Kontakt und für den Strom über den Kontakt eine intrinsische Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ von ϕ = π.In the device according to the invention, the π-Josephson geometric contact, the existence of bound Andreev states at suitably oriented interfaces of unconventional superconductors is exploited to obtain a Josephson junction with an intrinsic difference in phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ of φ = π to produce. For this purpose, the geometry of the contact is designed such that the Fermi velocities ν → _F (k →) of the current, but at least a portion of the total current, are reflected when passing the contact at an interface. This reflection must take place in such a way that the sign of the pair potential Δ (r →, k →) changes between incident wave vector k → _in and outgoing wave vector k → _out . From the sign change of the pair potential Δ (r →, k →) along the wave vector k → follows the existence of bound Andreev states in contact and for the current over the contact an intrinsic difference of the phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ of φ = π.

Die Geometrie der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dem geometrischen π-Josephson-Kontakt, ist weiterhin derart beschaffen, dass das Gewicht des Anteils am Gesamtstrom, der eine intrinsische Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ von ϕ = π aufweist, gezielt beeinflusst werden kann. wird durch die Wahl einzelner die Geometrie bestimmender Parameter dafür gesorgt, dass dieser Anteil den Gesamtstrom dominiert, folgt insgesamt ein π-Josephson-Kontakt. Werden die geometrischen Parameter so gewählt, dass dieser Anteil nicht dominiert, folgt insgesamt ein (normaler) Josephson-Kontakt.The geometry of the device according to the invention, the geometric π-Josephson contact, is furthermore such that the weight of the proportion of the total current, which has an intrinsic difference of the phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ of φ = π, is specifically influenced can. If the choice of individual geometry-determining parameters ensures that this proportion dominates the total current, a π-Josephson contact is produced overall. If the geometrical parameters are chosen so that this proportion does not dominate, a total (normal) Josephson contact will follow.

Die Grenzflächen, die die Geometrie des Kontaktes definieren und an denen die Reflektionen stattfinden, können entweder durch Oberflächen des supraleitenden Materials oder durch Grenzflächen zu Bereichen des supraleitenden Materials gegeben sein, in denen die Supraleitung unterdrückt ist.The interfaces that define the geometry of the contact and where the reflections take place can be either through surfaces of the superconducting material or through interfaces to regions of the superconducting material in which superconductivity is suppressed.

Die somit erzeugten (normalen) Josephson-Kontakte und π-Josephson-Kontakte sind durch die gezielte Erzeugung einer definierten Geometrie eines unkonventionellen Supraleiters bestimmt und weisen vergleichbare kritische Ströme sowie vergleichbare Widerstände im Normalzustand R_N auf. Folglich können sie einfach zu Anordnungen mit mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen kombiniert werden.The (normal) Josephson contacts and π-Josephson junctions thus produced are determined by the targeted generation of a defined geometry of an unconventional superconductor and have comparable critical currents and comparable resistances in the normal state R _N. Consequently, they can be easily combined to form arrangements with a plurality of devices according to the invention.

Die Herstellung von erfindungsgemäßen geometrischen π-Josephson-Kontakten kann nach bekannten Verfahren zur Bearbeitung von supraleitenden Filmen erfolgen. Es ist dabei möglich, eine große Anzahl von geometrischen π-Josephson-Kontakten auf einem einzigen mit supraleitendem Film bedeckten Substrat zu realisieren. Dies ermöglicht die Kombination von mehreren geometrischen π-Josephson-Kontakten zu Anordnungen, die makroskopische Quanteninterferenzeffekte ausnutzen. Ebenso ermöglicht dies die Kombination von einem oder mehreren geometrischen π-Josephson-Kontakten mit Josephson-Kontakten und π-Josephson-Kontakten anderen Aufbaus.The preparation of geometric π-Josephson contacts according to the invention can be carried out by known methods for processing superconducting films. It is possible, a large number of geometric π-Josephson To realize contacts on a single superconducting film-covered substrate. This allows the combination of multiple π-Josephson geometric junctions into arrays that exploit macroscopic quantum interference effects. Likewise, this allows the combination of one or more geometric π-Josephson junctions with Josephson junctions and π-Josephson junctions of other construction.

Der durchgehende supraleitende Film ist vorzugsweise einkristallin und kann z. B. durch einen Hochtemperatur-Supraleiter aus der Materialklasse der Kuprate gebildet werden.The continuous superconducting film is preferably monocrystalline and may, for. B. are formed by a high-temperature superconductor from the class of materials of cuprates.

Der supraleitende Film besitzt kristalline Vorzugsrichtungen, z. B. a- und b-Kristallachsen, die in der Ebene des supraleitenden Films liegen. Die Orientierung dieser Vorzugsrichtungen in Bezug auf die Breite b der Engstelle ist entscheidend. Die kristallinen Vorzugsrichtungen sind in Bezug auf die Breite b der Engstelle in der Ebene des Films verkippt, z. B. um 45°.The superconducting film has crystalline preferential directions, e.g. B. a and b crystal axes lying in the plane of the superconducting film. The orientation of these preferred directions with respect to the width b of the bottleneck is crucial. The preferred crystalline directions are tilted with respect to the width b of the bottleneck in the plane of the film, e.g. B. by 45 °.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die in den Zeichnungen 1, 5, 6, 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiele 1, 2, 3, 4 und 5 von geometrischen π-Josephson-Kontakten und Anordnungen von geometrischen π-Josephson-Kontakten werden im Folgenden näher erläutert. Die Zeichnungen 2, 3, 4, 7 und 8 enthalten Daten, die die Ausführungsbeispiele charakterisieren und werden ebenfalls im Folgenden erläutert.The exemplary embodiments 1, 2, 3, 4 and 5 of geometric π-Josephson contacts and arrangements of geometric π-Josephson contacts illustrated in the drawings 1, 5, 6, 9 and 10 are explained in more detail below. The drawings 2, 3, 4, 7 and 8 contain data characterizing the embodiments and are also explained below.

Das in Zeichnung 1 dargestellte Ausführungsbeispiel 1 eines geometrischen π-Josephson-Kontaktes besteht aus einem Film eines unkonventionellen Supraleiters mit d_x²-y²- oder d_xy- Symmetrie des Paarpotentials Δ(r →, k →) der Dicke d, der mit konstanter Orientierung der Kristallachsen auf einem Substrat aufgebracht ist. Dies kann zum Beispiel ein einkristalliner Film eines Hochtemperatur-Supraleiter aus der Materialklasse der Kuprate sein [7, 10]. Das Paarpotential muss entlang der x-Achse und y-Achse unterschiedliches Vorzeichen aufweisen. Im Falle eines Hochtemperatur-Supraleiters mit d_x²-y²-Symmetrie des Paarpotentials kann dies beispielsweise mit einer Orientierung der a- und b-Kristallachsen in x- und y-Richtung erreicht werden. Diese Orientierung des Paarpotentials ist symbolisch in Zeichnung 1 dargestellt, wobei die kleeblattförmige Skizze die Winkelabhängigkeit der Amplitude des Paarpotentials und die ”+”- und ”–”-Symbole das Vorzeichen des Paarpotentials andeuten sollen.The exemplary embodiment 1 of a geometric π-Josephson contact illustrated in FIG. 1 consists of a film of an unconventional superconductor with d _x²-y² or d _xy symmetry of the pair potential Δ (r →, k →) of thickness d, with constant orientation the crystal axes is applied to a substrate. This may be, for example, a monocrystalline film of a high temperature superconductor of the cuprate class [7, 10]. The pair potential must have different signs along the x-axis and y-axis. In the case of a high-temperature superconductor with d _x²-y² symmetry of the pair potential, this can be achieved, for example, with an orientation of the α and β crystal axes in the x and y directions. This orientation of the pair potential is shown symbolically in drawing 1, wherein the cloverleaf sketch is intended to indicate the angular dependence of the amplitude of the pair potential and the "+" and "-" symbols indicate the sign of the pair potential.

Der geometrische π-Josephson-Kontakt ist realisiert durch einen Streifen des supraleitenden Materials der Breite B mit einer geometrischen Einengung. Die Einengung hat dabei die Form eines Keils mit Öffnungswinkel 2β und verengt den Streifen auf eine Breite b (siehe ). In diesem Ausführungsbeispiel fällt die Winkelhalbierende des Keils mit der Winkelhalbierenden zwischen den a- und b-Kristallachsen zusammen, also auch mit der Winkelhalbierenden zwischen x- und y-Achse. Die Breite des Streifens B kann beliebig gewählt werden, solange sie deutlich größer als die Kohärenzlänge des supraleitenden Materials ξ₀ ist. Die Winkel können beliebig im Bereich zwischen 0° und 45° gewählt werden. Gegebenenfalls können die Winkel β auch größer als 45° sein, allerdings folgt dann ein dem Betrag nach kleinerer kritischer Strom des Kontaktes. Bei 0° wird jedoch nach wie vor eine Unterbrechung angenommen.The geometric π-Josephson contact is realized by a strip of the superconducting material of width B with a geometric constriction. The constriction has the shape of a wedge with opening angle 2β and narrows the strip to a width b (see ). In this embodiment, the bisector of the wedge coincides with the bisector between the a and b crystal axes, that is also with the bisector between x and y axis. The width of the strip B can be chosen arbitrarily, as long as it is significantly larger than the coherence length of the superconducting material ξ ₀ . The angles can be chosen arbitrarily in the range between 0 ° and 45 °. Optionally, the angle β may be greater than 45 °, but then follows a smaller amount of critical current of the contact. At 0 °, however, an interruption is still assumed.

Die Beziehung zwischen der Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ und dem Strom über den Kontakt I (Strom-Phasen-Beziehung) wurde mit Hilfe der mikroskopischen Theorie der Supraleitung in quasiklassischer Näherung selbstkonsistent berechnet. In Zeichnung 2 sind die Strom-Phasen-Beziehungen für Ausführungsbeispiel 1 bei einem Winkel von β = 0° für eine Breite von b = 3.14ξ₀ für die Temperaturen T = 0.1 T_c, 0.3 T_c, 0.5 T_c, 0.7 T_c, 0.9 T_c dargestellt. Für die gewählten Parameter folgt ein π-Josephson-Kontakt bei Temperaturen T ≤ 0.3 T_c.The relationship between the difference in the phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ and the current across the contact I (current-phase relationship) was self-consistently calculated using the microscopic theory of superconductivity in quasi-classical approximation. In drawing 2, the current-phase relationships for embodiment 1 are at an angle of β = 0 ° for a width of b = 3.14ξ ₀ for the temperatures T = 0.1 T _c , 0.3 T _c , 0.5 T _c , 0.7 T _c , 0.9 T _c . For the selected parameters follows a π-Josephson contact at temperatures T ≤ 0.3 T _c .

Die Unterscheidung zwischen einem (normalen) Josephson-Kontakt und einem π-Josephson-Kontakt kann nicht direkt durch die Messung des kritischen Stromes I_c mittels Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie des Kontaktes erfolgen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie liefert nur den Absolutwert des kritischen Stromes |I_c|, nicht aber dessen Vorzeichen.The distinction between a (normal) Josephson contact and a π-Josephson contact can not be made directly by the measurement of the critical current I _c by recording the current-voltage characteristic of the contact. The current-voltage characteristic supplies only the absolute value of the critical current | I _c |, but not its sign.

Um zwischen einem (normalen) Josephson-Kontakt und einem π-Josephson-Kontakt unterscheiden zu können, muss für verschiedene Werte eines äußeren Parameters, der einen Übergang zwischen den beiden Zuständen bewirkt, der kritische Strom gemessen werden. Im vorliegenden Fall kann dies entweder die Temperatur oder ein geometrischer Parameter (z. B. die Breite der Engstelle b) sein. Ein übergang von (normalem) Josephson-Kontakt-Verhalten zu π-Josephson-Kontakt-Verhalten zeigt sich dann durch ein lokales Minimum bzw. eine Nullstelle des Absolutwertes des kritischen Stromes.In order to differentiate between a (normal) Josephson junction and a π-Josephson junction, the critical current must be measured for different values of an external parameter that causes a transition between the two states. In the present case, this may be either the temperature or a geometric parameter (eg the width of the bottleneck b). A transition from (normal) Josephson contact behavior to π-Josephson contact behavior is then shown by a local minimum or zero of the absolute value of the critical current.

In Zeichnung 3a und 3b ist der kritische Strom I_c, also das Maximum der Strom-Phasen-Beziehung, für Ausführungsbeispiel 1 mit einem Winkel β = 0° für verschiedene Breiten b und verschiedene Temperaturen T dargestellt. In Zeichnung 3a und 3b sind jeweils die identischen Daten dargestellt. In Zeichnung 3a erfolgt die Auftragung bei fester Temperatur T über der Breite der Engstelle b, in Zeichnung 3b hingegen bei fester Breite der Engstelle b über der Temperatur T. Die Darstellungsweise der Daten für den kritischen Strom in Zeichnung 3a entspricht einer Messung des kritischen Stromes I_c bei einer Variation der Breite der Engstelle b, während die Darstellungsweise in Zeichnung 3b einer Messung des kritischen Stromes I_c bei einer Variation der Temperatur entspricht. Um die Lesbarkeit der Diagramme zu verbessern, wird allerdings der kritische Strom mit Vorzeichen aufgetragen. Eine Messung würde hingegen nur die Absolutwerte der dargestellten Daten liefern.In drawing 3a and 3b, the critical current I _c , ie the maximum of the current-phase relationship, for embodiment 1 with an angle β = 0 ° for different widths b and different temperatures T shown. In drawing 3a and 3b, the identical data are shown in each case. In drawing 3a, the application takes place at a fixed temperature T over the width of the constriction b, in contrast, in drawing 3b at a fixed width of the constriction b over the Temperature T. The representation of the data for the critical current in drawing 3a corresponds to a measurement of the critical current I _c with a variation of the width of the bottleneck b, while the representation in drawing 3b corresponds to a measurement of the critical current I _c with a variation of the temperature , To improve the readability of the diagrams, however, the critical current is applied with signs. On the other hand, a measurement would only provide the absolute values of the data presented.

In Zeichnung 4 sind die Daten für den kritischen Strom I_c für Ausführungsbeispiel 1 mit einem Winkel β = 45° entsprechend zu Zeichnung 3 dargestellt. Aus Zeichnung 3 und Zeichnung 4 wird deutlich, dass das Auftreten eines π-Josephson-Kontaktes robust ist gegen die Wahl des Winkels β.In drawing 4, the data for the critical current I _c for embodiment 1 with an angle β = 45 ° corresponding to drawing 3 are shown. From drawing 3 and drawing 4 it is clear that the occurrence of a π-Josephson contact is robust against the choice of the angle β.

Das in Zeichnung 5 dargestellte Ausführungsbeispiel 2 eines geometrischen π-Josephson-Kontaktes besteht ebenfalls aus einem Film eines unkonventionellen Supraleiters mit d_x²-y²-Symmetrie des Paarpotentials Δ(r →, k →), der mit gleicher Orientierung wie in Ausführungsbeispiel 1 auf einem Substrat aufgebracht ist. Auch hier muss die Orientierung der Kristallachsen im Film konstant sein. Der Unterschied zu Ausführungsbeispiel 1 besteht darin, dass die Einengung des Streifens durch einen schmalen Schlitz gegeben ist, dessen Breite s kleiner als die Breite der Engstelle b ist.The exemplary embodiment 2 of a geometric π-Josephson contact shown in FIG. 5 likewise consists of a film of an unconventional superconductor with d _x²-y² symmetry of the pair potential Δ (r →, k →), which has the same orientation as in exemplary embodiment 1 on a Substrate is applied. Again, the orientation of the crystal axes in the film must be constant. The difference from Embodiment 1 is that the constriction of the strip is given by a narrow slot whose width s is smaller than the width of the constriction b.

Das in Zeichnung 6 dargestellte Ausführungsbeispiel 3 eines geometrischen π-Josephson-Kontaktes ist durch die Geometrie von Ausführungsbeispiel 2 gekennzeichnet. Allerdings findet sich hier statt der schlitzförmigen Einengung des Kanals ein Bereich des Films, der nichtleitend ist (schwarz gekennzeichneter Bereich in Zeichnung 6). Dies kann zum Beispiel durch gezielte Schädigung des supraleitenden Materials oder durch Aufbringen bestimmter Materialien auf dem supraleitenden Film erreicht werden. Mit dieser Ausführung kann ebenfalls ein geometrischer π-Josephson-Kontakt realisiert werden.The exemplary embodiment 3 of a geometric π-Josephson contact illustrated in FIG. 6 is characterized by the geometry of exemplary embodiment 2. However, instead of the slot-shaped constriction of the channel, there is an area of the film that is non-conductive (black area in drawing 6). This can be achieved for example by targeted damage to the superconducting material or by applying certain materials on the superconducting film. With this embodiment, a geometric π-Josephson contact can also be realized.

Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung zwischen einem (normalen) Josephson-Kontakt und einem π-Josephson-Kontakt besteht darin, den zu untersuchenden Kontakt mit einem zweiten (bekannten) Josephson-Kontakt über eine einfach geschlossene Stromschleife zu verbinden. Derartige Anordnungen werden üblicherweise als Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) bezeichnet.Another way to distinguish between a (normal) Josephson junction and a π-Josephson junction is to connect the contact under test to a second (known) Josephson junction through a single closed loop current loop. Such arrangements are commonly referred to as Superconducting Quantum Interference Device (SQUID).

Sind beide Kontakte normale Josephson-Kontakte, so zeigt der kritische Strom des SQUID I_c,SQUID(Φ_a) in Abhängigkeit des magnetischen Flusses Φ_a durch die vom SQUID eingeschlossene Fläche ein lokales Maximum bei Φ_a= 0. In Zeichnung 7a ist dieser Fall schematisch dargestellt unter der Annahme, dass die kritischen Ströme der beiden Kontakte I_c1 = I_c2 = I_c identisch sind und der Induktivitätsparameter β_L = 2LI_c/Φ₀ wesentlich kleiner als 1 ist. Ist hingegen einer der beiden Kontakte ein π-Josephson-Kontakt, so weist der kritische Strom des SQUID I_c,SQUID(Φ_a) bei Φ_a = 0 ein lokales Minimum auf. Dieser Fall ist unter denselben Annahmen wie für Zeichnung 7a in Zeichnung 7b schematisch dargestellt. Sind beide Kontakte π-Josephson-Kontakte, so folgt ein Verhalten entsprechend dem Fall zweier normaler Josephson-Kontakte, also entsprechend Zeichnung 7a.If both contacts normal Josephson junctions, the critical current of the SQUID I _c, shows _SQUID (Φ _a) as a function of the magnetic flux Φ by the _a space enclosed by the SQUID surface, a local maximum at _a Φ = 0. In this drawing 7a Case represented schematically on the assumption that the critical currents of the two contacts I _c1 = I _c2 = I _{c are} identical and the inductance parameter β _L = 2LI _c / Φ _{0 is} substantially smaller than 1. If, on the other hand, one of the two contacts is a π-Josephson junction, the critical current of the SQUID I _{c, SQUID} (Φ _a ) has a local minimum at Φ _a = 0. This case is shown schematically under the same assumptions as for drawing 7a in drawing 7b. If both contacts are π-Josephson contacts, then a behavior corresponding to the case of two normal Josephson contacts follows, that is according to drawing 7a.

Betreibt man das SQUID im resistiven Modus, so zeigt sich das unterschiedliche Verhalten eines normalen Josephson-Kontaktes und eines π-Josephson-Kontaktes ebenfalls. Dies bedeutet, dass durch das SQUID ein konstanter Bissstrom I_Bias > 2I_c geschickt und gleichzeitig die über dem SQUID abfallende mittlere Spannung V_dc(Φ_a) gemessen wird. Unter denselben Voraussetzungen wie bei Zeichnung 7 und einem angelegten Biasstrom von I_Bias > 2I_c sind in Zeichnung 8 charakteristische Ergebnisse dargestellt, in Zeichnung 8a für den Fall zweier normaler Josephson-Kontakte (entsprechend Zeichnung 7a) und in Zeichnung 8b für den Fall eines normalen und eines π-Josephson-Kontaktes (entsprechend Zeichnung 7b).Operating the SQUID in resistive mode also shows the different behavior of a normal Josephson junction and a π-Josephson junction. This means that a constant bite current I _bias > 2I _{c is} sent through the SQUID and at the same time the average voltage V _dc (Φ _a ) falling across the SQUID is measured. Under the same conditions as in drawing 7 and an applied bias current of I _Bias> 2I _c 8 characteristic results are shown in drawing, in drawing 8a for the case of two normal Josephson junctions (corresponding drawing 7a) and in drawing 8b for the case of a normal and a π-Josephson junction (as shown in Figure 7b).

Um zwischen diesen drei Möglichkeiten zum Aufbau von SQUIDs aus zwei Josephson-Kontakten zu unterscheiden, werden diese oft 0-0-, 0-π- bzw. π-π-SQUIDs genannt. Das unterschiedliche Verhalten ist eine direkte Folge der intrinsischen Phasendifferenz von ϕ = π eines π-Josephson-Kontaktes, die einen spontanen Kreisstrom im SQUID bewirkt.To distinguish between these three ways of constructing SQUIDs from two Josephson junctions, these are often called 0-0, 0-π, or π-π SQUIDs, respectively. The different behavior is a direct consequence of the intrinsic phase difference of φ = π of a π-Josephson junction, which causes a spontaneous circular current in the SQUID.

Derartige 0-0- und 0-π-SQUIDs können beispielsweise verwendet werden, um komplementäre Elemente für digitale und analoge supraleitende Schaltungen zu realisieren.Such 0-0 and 0-π SQUIDs can be used, for example, to realize complementary elements for digital and analog superconducting circuits.

Das in Zeichnung 9 dargestellte Ausführungsbeispiel 4 zeigt die Anordnung zweier geometrischer π-Josephson-Kontakte zu einem SQUID. Die beiden Kontakte entsprechen dabei jeweils Ausführungsbeispiel 1, können aber ebenso entsprechend Ausführungsbeispiel 2 oder Ausführungsbeispiel 3 oder durch andere erfindungsgemäße Ausführungen realisiert sein. Auch Kombinationen von geometrischen π-Josephson-Kontakten verschiedenen Aufbaus oder Kombinationen von geometrischen π-Josephson-Kontakten mit Josephson-Kontakten anderen Aufbaus sind möglich.The embodiment 4 shown in drawing 9 shows the arrangement of two π-Josephson geometric contacts to a SQUID. The two contacts correspond to each embodiment 1, but can also be implemented according to Embodiment 2 or Embodiment 3 or by other embodiments of the invention. Combinations of geometric π-Josephson junctions of different construction or combinations of geometric π-Josephson junctions with Josephson junctions of a different construction are also possible.

Die Breite des Streifens B kann beliebig gewählt werden, solange sie deutlich größer als die Kohärenzlänge des supraleitenden Materials ξ₀ ist. Die beiden Kontakte sind bestimmt durch die Breiten der jeweiligen Engstelle b₁ und b₂ sowie die Winkel β₁ und β₂. Das SQUID wird gebildet durch den Supraleiter mit den zwei geometrischen π-Josephson-Kontakten, die ein Loch im supraleitenden Film umschließen.The width of the strip B can be chosen arbitrarily, as long as it is significantly larger than the coherence length of the superconducting material ξ ₀ . The two contacts are determined by the widths of the respective constriction b ₁ and b ₂ and the angle β ₁ and β ₂ . The SQUID is formed by the Superconductor with the two π-Josephson geometric contacts surrounding a hole in the superconducting film.

Da durch die Breiten der Engstellen b₁ und b₂ getrennt beeinflusst werden kann, ob die beiden Kontakte das Verhalten von (normalen) Josephson-Kontakten oder π-Josephson-Kontakten zeigen, können durch diese Anordnung auf einfache Art und Weise 0-0-SQUIDs, 0-π-SQUIDs und π-π-SQUIDs in Ein-Lagen-Technik realisiert werden. Da weiterhin die Temperatur beeinflusst, ob ein geometrischer π-Josephson-Kontakt mit einer bestimmten Breite b das Verhalten eines (normalen) Josephson-Kontaktes oder π-Josephson-Kontaktes zeigt, kann bei geeignet gewählten Breiten b₁ und b₂ durch eine Temperaturvariation ein Übergang zwischen 0-0-SQUID, 0-π-SQUID und π-π-SQUID erreicht werden.Since it can be influenced separately by the widths of the bottlenecks b ₁ and b ₂ , whether the two contacts show the behavior of (normal) Josephson contacts or π-Josephson contacts, this arrangement allows a simple way of 0-0- SQUIDs, 0-π-SQUIDs and π-π-SQUIDs can be realized in one-layer technique. Further, since the temperature affects whether a π-Josephson geometric contact having a certain width b exhibits the behavior of a (normal) Josephson junction or π-Josephson junction, b ₁ and b ₂ may be selected by a temperature variation at appropriately selected widths Transition between 0-0-SQUID, 0-π-SQUID and π-π-SQUID can be achieved.

Das in Zeichnung 10 dargestellte Ausführungsbeispiel 5 zeigt eine Anordnung, die mehrere SQUIDs entsprechend Ausführungsbeispiel 4, gebildet durch jeweils zwei geometrische π-Josephson-Kontakte, kombiniert. in diesem Ausführungsbeispiel, das entsprechend Zeichnung 10 aus einer Reihenschaltung beliebig vieler 0-0-SQUIDs, 0-π-SQUIDs und π-π-SQUIDs besteht, addieren sich im resistiven Betrieb die mittleren Spannungssignale

der einzelnen SQUIDs. Dabei bezeichnet

den magnetischen Fluss durch das Loch des m-ten SQUID mit der Fläche a_m bei einem äußeren Magnetfeld B.The embodiment 5 shown in drawing 10 shows an arrangement that combines several SQUIDs according to embodiment 4, formed by two geometric π-Josephson contacts. In this embodiment, which consists of a series connection of any number of 0-0-SQUIDs, 0-π-SQUIDs and π-π-SQUIDs according to drawing 10, the average voltage signals add in resistive operation

the individual SQUIDs. This designates

the magnetic flux through the hole of the m-th SQUID with the area a _m at an external magnetic field B.

Mit Hilfe von geometrischen π-Josephson-Kontakten können entsprechend diesem Ausführungsbeispiel einfach komplexe Anordnungen mehrerer 0-0-SQUIDs, 0-π-SQUIDs und π-π-SQUIDs in Ein-Lagen-Technik realisiert werden. Da die Breiten der Engstellen der einzelnen geometrischen π-Josephson-Kontakte b_n beliebig gewählt werden können, ist eine beliebige Kombination von 0-0-SQUIDs, 0-π-SQUIDs und π-π-SQUIDs möglich. Ebenso können die Flächen der Löcher der einzelnen SQUIDs a_m beliebig gewählt werden. Dies erlaubt zum Beispiel die Realisierung komplexer digitaler und analoger supraleitender Schaltungen basierend auf geometrischen π-Josephson-Kontakten.With the aid of π-Josephson geometric contacts, according to this exemplary embodiment, complex arrangements of a plurality of 0-0-SQUIDs, 0-π-SQUIDs and π-π-SQUIDs can be realized in single-layer technology. Since the widths of the bottlenecks of the individual π-Josephson geometric contacts b _n can be chosen arbitrarily, any combination of 0-0-SQUIDs, 0-π-SQUIDs and π-π-SQUIDs is possible. Likewise, the areas of the holes of the individual SQUIDs a _m can be chosen arbitrarily. This allows, for example, the realization of complex digital and analog superconducting circuits based on geometric π-Josephson junctions.

Beschreibungen der ZeichnungenDescriptions of the drawings

Zeichnung 1: Geometrie von Ausführungsbeispiel 1.Drawing 1: Geometry of exemplary embodiment 1.

Zeichnung 2: Beziehung zwischen der Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ und dem Strom über den Kontakt I (Strom-Phasen-Beziehung) für Ausführungsbeispiel 1 mit β = 0° und b = 3.14ξ₀ für die Temperaturen T = 0.1 T_c, 0.3 T_c, 0.5 T_c, 0.7 T_c, 0.9 T_c. Die Differenz der Phase der makroskopischen quantenmechanischen Wellenfunktion über den Kontakt ϕ ist in Einheiten von π und der durch die Filmdicke d dividierte Gesamtstrom über den Kontakt I in Einheiten von Φ₀k_BT_c/(μ₀λ 2 / LΔ₀) aufgetragen. Es bezeichnet ξ₀ = ħν_F/(πΔ_n) die Kohärenzlänge des Supraleiters, Φ₀ = h/(2e) das magnetische Flussquant, μ₀ die Permeabilitätskonstante, λ_L = 1/√μ₀e²N(0)ν² _F die Londonsche Eindringtiefe, Δ₀ die Energielücke bei T = 0, k_B die Boltzmann-Konstante und T_c die kritische Temperatur des Supraleiters.Figure 2: Relationship between the phase difference of the macroscopic quantum mechanical wave function across the contact φ and the current across the contact I (current-phase relationship) for Example 1 with β = 0 ° and b = 3.14ξ ₀ for the temperatures T = 0.1 T _c , 0.3 T _c , 0.5 T _c , 0.7 T _c , 0.9 T _c . The difference of the phase of the macroscopic quantum mechanical wave function over the contact φ is in units of π and the total current divided by the film thickness d over the contact I in units of Φ ₀ k _B T _c / (μ ₀ λ 2 / LΔ ₀ ) applied. Ξ ₀ = ħν _F / (πΔ _n ) denotes the coherence length of the superconductor, Φ ₀ = h / (2e) the magnetic flux quantum, μ ₀ the permeability constant, λ _L = 1 / √ μ₀e²N (0) ν² _F the London penetration depth, Δ ₀ the energy gap at T = 0, k _B the Boltzmann constant and T _c the critical temperature of the superconductor.

Zeichnung 3a und 3b: Der kritische Strom I_c zu Ausführungsbeispiel 1 mit β = 0° für verschiedene Breiten der Engstelle b und verschiedene Temperaturen T In Zeichnung 3a sind die Daten bei fester Temperatur T über der Breite der Engstelle b dargestellt. In Zeichnung 3b sind dieselben Daten bei fester Breite der Engstelle b über der Temperatur dargestellt. Die Breite der Engstelle b ist in Einheiten der Kohärenzlange des Supraleiters ξ₀ gegeben. Sonstige Bezeichnungen und Einheiten sind entsprechend Zeichnung 2 gewählt.Drawing 3a and 3b: The critical current I _c to Embodiment 1 with β = 0 ° for different widths of the bottleneck b and different temperatures T In Figure 3a, the data at fixed temperature T over the width of the bottleneck b are shown. In drawing 3b, the same data are shown at fixed width of the bottleneck b over the temperature. The width of the constriction b is given in units of the coherence length of the superconductor ξ ₀ . Other designations and units are selected according to drawing 2.

Zeichnung 4a und 4b: Der kritische Strom I_c zu Ausführungsbeispiel 1 mit β = 45° für verschiedene Breiten der Engstelle b und verschiedene Temperaturen T. Darstellung und Bezeichnungen entsprechend Zeichnung 3.Drawing 4a and 4b: The critical current I _c to Example 1 with β = 45 ° for different widths of the bottleneck b and different temperatures T. Representation and designations according to drawing 3.

Zeichnung 5: Geometrie von Ausführungsbeispiel 2.Drawing 5: Geometry of exemplary embodiment 2.

Zeichnung 6: Geometrie von Ausführungsbeispiel 3.Drawing 6: Geometry of exemplary embodiment 3.

Zeichnung 7a und 7b: Schematische Darstellung der Abhängigkeit des kritischen Stromes eines SQUID I_c _,SQUID(Φ_a) vom magnetischen Fluss Φ_a durch die vom SQUID eingeschlossene Fläche. In Zeichnung 7a ist das Verhalten eines 0-0-SQUID dargestellt, in Zeichnung 7b das Verhalten eines 0-π-SQUID. Der kritische Strom des SQUID I_c _,SQUID ist in Einheiten des kritischen Stromes der beiden Josephson-Kontakte des SQUID I_c1 = I_c2 = I_c angegeben, die für diese schematische Darstellung als gleich groß angenommen wurden. Der magnetische Fluss Φ_a ist in Einheiten des magnetischen Flussquants Φ₀ dargestellt.Drawing 7a and 7b: Schematic representation of the critical current dependence of a SQUID I _c _{, SQUID} (Φ _a ) of the magnetic flux Φ _a through the area enclosed by the SQUID. In drawing 7a the behavior of a 0-0-SQUID is shown, in figure 7b the behavior of a 0-π-SQUID. The critical current of the SQUID I _c _{, SQUID} is given in units of the critical current of the two Josephson contacts of the SQUID I _c1 = I _c2 = I _c , which were assumed to be the same size for this schematic representation. The magnetic flux Φ _a is represented in units of the magnetic flux quantum Φ ₀ .

Zeichnung 8a und 8b: Schematische Darstellung der Abhängigkeit der mittleren über ein SQUID abfallenden Spannung V_dc(Φ_a) vom magnetischen Fluss Φ_a durch die vom SQUID eingeschlossene Fläche im resistiven Betrieb (I_Bias > 2I_c). In Zeichnung 8a ist das Verhalten eines 0-0-SQUID dargestellt, in Zeichnung 8b das Verhalten eines 0-π-SQUID. Die mittlere über das SQUID abfallende Spannung V_dc ist in Einheiten von I_cR_N angegeben, wobei I_c den kritischen Strom der beiden Josephson-Kontakte des SQUID und R_N deren Widerstand im Normalzustand bezeichnet. Der magnetische Fluss Φ_a ist, wie in Zeichnung 7, in Einheiten des magnetischen Flussquants Φ₀ dargestellt.Drawing 8a and 8b: Schematic representation of the dependence of the average voltage drop across a SQUID voltage V _dc (Φ _a ) from the magnetic flux Φ _a through the area enclosed by the SQUID in resistive operation (I _bias > 2I _c ). In drawing 8a the behavior of a 0-0-SQUID is shown, in figure 8b the behavior of a 0-π-SQUID. The mean drop across the SQUID voltage V _dc is expressed in units of I _c R _N, where I _{c represents} the critical current of the Josephson junctions of the SQUID and R _N whose resistance in the normal state designated. The magnetic flux Φ is _a, as shown in drawing 7, in units of magnetic flux quantum Φ _0th

Zeichnung 9: Geometrie von Ausführungsbeispiel 4.Drawing 9: Geometry of exemplary embodiment 4.

Zeichnung 10: Geometrie von Ausführungsbeispiel 5.Drawing 10: Geometry of exemplary embodiment 5.

Details zu den Zeichnungen sind im Text enthalten. Die folgenden Literaturstellen beleuchten den technischen HintergrundDetails of the drawings are included in the text. The following references illuminate the technical background

Literaturliterature

[1] K.K. Likharev and V.K. Semenov, RSFQ Logic / Memory Family: A New Josephson-Junction Technology for Sub-Terahertz Clock-Frequency Digital Systems, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume 1, Number 1, page 3 (1991).
[2] H.J.M. ter Brake, F.-Im. Buchholz, G. Burnell, T. Claeson, D. Crété, P. Febvre, G.J. Gerritsma, H. Hilgenkamp, R. Humphreys, Z. Ivanov, W. Jutzi, M.I. Khabipov, J. Mannhart, H.-G. Meyer, J. Niemeyer, A. Ravex, H. Rogalla, M. Russo, J. Satchell, M. Siegel, H. Töpfer, F.H. Uhlmann, J.-C. Villégier, E. Wikborg, D. Winkler and A.B. Zorin, SCENET roadmap for superconductor digital electronics, Physica C, Volume 439, page 1 (2006).
[3] E.Terzioglu and M.R. Beasley, Josephson Junction Devices and Circuits Complementary: A Possible New Approach to Superconducting Electronics, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume 8, Number 2, page 48 (1998).
[4] T. Ortlepp, Ariando, O. Mielke, C.J.M. Verwijs, K.F.K. Foo, H. Rogalla, F.H. Uhlmann and H. Hilgenkamp, Flipping Fractional Flux Quanta, Science, Volume 312, page 1495 (2006).
[5] A.V. Ustinov and V.K. Kaplunenko, Rapid single-flux quantum logic using π-shifters, Journal of Applied Physics, Volume 94, Number 8, page 5405 (2003).
[6] CC Tsuei, JR Kirtley, CC Chi, Lock Lake Yu-Jahnes, A. Gupta, T. Shaw, JZ Sun and MB Ketchen, Pairing Symmetry and Flux Quantization in a Tricrystal Superconducting Ring of YBa 2 Cu 3 O 7- δ , Physical Review Letters, Volume 73, Number 4, page 593 (1994).
[7] DJ Van Harlingen, Phase-sensitive tests of the symmetry of the pairing state in the high temperature superconductors - Evidence for d x 2 -y 2 symmetry, Review of Modern Physics, Volume 67, Number 2, page 515 (1995).
[8] E. Il'ichev, V. Zakosarenko, RPJ Ijsselsteijn, HE Hoenig, V. Schultze, H.-G. Meyer, M. Grajcar and R. Hlubina, Anomalous periodicity of the current-phase relationship of grain-boundary Josephson junctions in high-T c superconductors, Physical Review B, Volume 60, Number 5, page 3096 (1999).
[9] R.R. Schulz, B. Chesca, B. Goetz, C.W. Schneider, A. Schmchl, H. Bielefeldt, H. Hilgenkamp, J. Mannhart and C.C. Tsuei, Design and realization of all d-wave dc π-superconducting quantum interference device, Applied Physics Letters, Volume 76, Number 7, page 912 (2000).
[10] C.C. Tsuei and J.R. Kirtley, pairing symmetry in cuprate superconductors, Review of Modern Physics, Volume 72, Number 4, page 969 (2000).
[11] E. Il'ichev, M. Grajcar, R. Hlubina, RPJ Ijsselstein, HE Hoenig, H.-G. Meyer, A. Golubov, MHS Amin, AM Zagoskin, AN Omelyanchouk and M.Yu. Kupriyanov, Degenerate Ground State in a Mesoscopic YBa 2 Cu 3 O 7-δ Grain Boundary Josephson Junction, Physical Review Letters, Volume 86, Number 23, page 5369 (2001).
[12] Yu.A. Kolesnichenko, A.N. Omelyanchouk and A.M. Zagoskin, Spontaneous currents in Josephson junctions between unconventional superconductors and d-wave qubits (review), Low Temperature Physics, Volume 30, numbers 7-8, page 535 (2001).
[13] V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, A.V. Veretennikov, A.A. Golubov and J. Aarts, Coupling of Two Superconductors through a Ferromagnet: Evidence for a π Junction, Physical Review Letters, Volume 86, Number 11, page 2427 (2001).
[14] T. Kontos, M. Aprili, J. Lesueur, F. Genêt, B. Stephanidis, and R. Boursier, Josephson Junction through a Thin Ferromagnetic Layer: Negative Coupling, Physical Review Letters, Volume 89, Number 13, page 137007 (2002).
[15] Y. Blum, A. Tsukernik, M. Karpovski and A. Palevski, Oscillations of the Superconducting Critical Current in Nb-Cu-Ni-Cu-Nb Junctions, Physical Review Letters, Volume 89, Number 18, page 187004 2002).
[16] A. Bauer, J. Bentner, M. Aprili, M.L. Della Rocca, M. Reinwald, W. Wegscheider and C. Strunk, Spontaneous Supercurrent Induced by Ferromagnetic π Junctions, Physical Review Letters, Volume 92, Number 21, page 217001 (2004).
[17] S.M. Frolov, D.J. Van Harlingen, V.A. Oboznov, V.V. Bolginov and V.V. Ryazanov, Measurement of the current-phase relation of superconductor / ferromagnet / superconductor π Josephson junctions, Physical Review B, Volume 70, page 144505 (2004).
[18] A.A. Golubov, M.Yu. Kupriyanov and E. Il'ichev, The Current-Phase Relationship in Josephson Junctions, Review of Modern Physics, Volume 76, page 411 (2004).
[19] M. Weides, M. Kemmler, H. Kohlstedt, R. Waser, D. Koelle, R. Kleiner, and E. Goldobin, 0-π-Josephson Tunnel Junctions with Ferromagnetic Barrier, Physical Review Letters, Volume 97, p 247001 (2006).
[20] F. Born, M. Siegel, E.K. Hollmann, H. Braak, A.A. Golubov, D.Yu. Gusakova and M.Yu. Kupriyanov, Multiple 0-π transitions in superconductor / ferromagnet / superconductor Josephson tunnel junctions, Physical Review B, Volume 74, page 140501 (2006).
[21] M. Weides, M. Kemmler, E. Goldobin, D. Koelle, R. Kleiner, H. Kohlstedt, and A. Buzdin, High Quality Ferromagnetic and Josephson Tunnel Junctions, Applied Physics Letters, Volume 89, page 122511 (2006).
[22] J.J.A. Baselmans, A.F. Morpurgo, B.J. van Wees and T.M. Klapwijk, Reversing the direction of the supercurrent in a controllable Josephson junction, Nature, Volume 397, Number 7, page 43 (1999).
[23] R. Shaikhaidov, A.F. Volkov, H. Takayanagi, V.T. Petrashov and P. Delsing, Josephson effects in a superconductor normal-metal mesoscopic structure with a dangling superconducting arm, Physical Review B, Volume 62, Number 22, page R14649 (2000).
[24] J.J.A. Baselmans, B.J. van Wees and T.M. Klapwijk, Direct demonstration of circulating currents in a controllable π-SQUID generated by a 0 to π transition of weak links, Physical Review B, Volume 65, page 224513 (2002).
[25] J.J.A. Baselmans, T.T. Heikkilä, B.J. van Wees and T.M. Klapwijk, Direct Observation of the Transition from the Conventional Superconducting State to the State of a Controllable Josephson Junction, Physical Review Letters, Volume 89, Number 20, page 207002 (2002).
[26] Jian Huang, F. Pierre, Tero T. Heikkilä, Frank K. Wilhelm, and Norman O. Birge, Observation of a controllable ™ junction in a 3-terminal Josephson device, Physical Review B, Volume 66, p. 020507 (2002 ).
[27] Fabrizio Dolcini and Francesco Giazotto, switching the sign of Josephson current through Aharanov-Bohm interferometry, Physical Review B, Volume 75, page 140511 (2007).
[28] G. Rose, MH Amin and TL Duty, Phase Shift Device in Superconductor Logic, PCT Patent WO 02/069411 A2 , published on September 6, 2002
[29] TM Klapwijk and AF Morpurgo, Superconducting Element for a Microelectronic Circuit, PCT application WO 99/14811 A1 , published on March 25, 1999
[30] M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, McGraw-Hill, New York (1975).
[31] V.P. Mineev and K.V. Samokhin, Introduction to Unconventional Superconductivity, Gordon and Breach, Amsterdam (1999).

Claims

Device for generating a Josephson junction, characterized in that the superconducting material used is an unconventional superconductor with alternating sign of the pair potential Δ (r →, k →) for different wave vectors k →, the Josephson contact determining weak coupling of the macroscopic quantum mechanical wave function is generated on both sides of the Josephson junction by a spatial constriction of the superconducting material or by the spatial narrowing of the macroscopic quantum mechanical wave function within the superconducting material, the orientation of the aforementioned spatial constriction relative to the crystal axes of the superconducting material used is chosen such that the current across the Josephson junction has two parts, namely the proportion of Cooper pairs passing through the bottleneck without reflection and the proportion of phase coherent electrons which make Josephson contact with an o of the multiple reflections at interfaces in the Josephson junction or its surroundings so that the sign of the pair potential Δ (r →, k →) in the direction of the wave vectors k → this proportion of the current with the Fermi velocity ν → _F (k →) on both sides of the Josephson contact is different.

Device according to claim 1, characterized in that certain parameters defining the geometry of said constriction are selected such that a Josephson junction follows with an intrinsic phase difference of π (π-Josephson junction) or a normal Josephson junction.

Device according to the preceding claims, characterized in that certain parameters defining the geometry of said constriction are chosen so that a π-Josephson contact follows in the entire temperature range 0 <T <T _c or in subregions thereof, where T _{c is} the critical temperature of the Superconductor referred.

Device according to the preceding claims, characterized in that the interfaces are formed by surfaces of the superconductor.

Device according to the preceding claims, characterized in that the boundary surfaces are formed by interfaces to non-superconducting regions within the underlying superconducting material, wherein the non-superconducting regions are produced by targeted influencing of the material.

Device according to the preceding claims, characterized in that the Josephson contact additionally includes a normal conducting barrier.

Device according to the preceding claims, characterized in that the Josephson junction additionally includes an insulating barrier (tunnel barrier).

Device according to the preceding claims, characterized in that the underlying superconducting material is in the form of a monocrystalline film.

Device according to the preceding claims, characterized in that the underlying superconductive material has a dominant d _x²-y² or d _xy symmetry of the pair potential.

Device according to the preceding claims, characterized in that the underlying superconducting material is a material of the class of cuprate high-temperature superconductors such as yttrium-barium-copper-oxide (YBa ₂ Cu ₃ O _7-x ).

Device according to the preceding claims, characterized in that the underlying superconducting material is a material from the class of heavy-fermion superconductors such as cerium-cobalt-indium (CeCoIn ₅ ).

Arrangements of two or more devices according to the preceding claims, characterized in that they are interconnected superconducting and / or normal conducting.

Arrangements of two or more devices according to claim 12, characterized in that they are interconnected superconducting and / or normal conducting and have different geometric designs.

Arrangements of two or more devices according to claims 12 and 13, characterized in that they are interconnected superconducting and / or normal conducting and have different temperature dependencies by different embodiments.

Arrangements of one or more devices according to claims 1 to 11, characterized in that they are connected to Josephson contacts of other construction superconducting and / or normal conducting.

Arrangements of one or more devices according to claim 15, characterized in that they are connected to π-Josephson contacts of other construction superconducting and / or normal conducting.