DE1803953A1

DE1803953A1 - Supraleitfaehiges Sperrelement

Info

Publication number: DE1803953A1
Application number: DE19681803953
Authority: DE
Inventors: Pierce Joe Ted
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1967-10-23
Filing date: 1968-10-18
Publication date: 1969-06-26
Also published as: GB1244011A; FR1587169A; US3522492A; NL6815131A

Description

OR.-INS. DIPU.-ΙΝβ. M.SC. DIPl^PHYS. DR. ΟΙΛ.-ΡΗΪ& HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Texas Instruments Incorporated, Dallas, Texas, U.S.A.

Supraleitfähiges Sperrelement

Die· Erfindung betrifft ein supraleitfähiges Sperrelement mit zwei Supraleitern, einer zwischen diesen angeordneten f isolierenden Sperrschicht, um die beiden Supraleiter getrennt voneinander zu halten, und einer veränderlichen Gleichstromquelle, die an im Abstand angeordnete Teile des supraleitfähigen Elementes angeschlossen ist·

Die Erfindung betrifft insbesondere neue Anordnungen zur Ausnutzung der Empfindlichkeit des Magnetfeldes von supra-' leitfähigen Sperrelementen, einschliesslich supraleitfähigen Tunnel-Sperrelement en, und ausserdem neue Anordnungen zur Steigerung der Strahlungsfähigkeit von supraleitfähigen Tunnel-Sperrelementen· Die Erfindung eignet sich für cryogene Schaltungen und für logische Schaltgeräte, ferner für

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Generatoren einer Strahlting mit einer Wellenlänge im Millimeterbereich und darunter.

Die Erfindung kann als Cryotron oder als Schaltgerät verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges supraleitfähiges Sperrelement mit grösserer Verstärkung und höherer Schaltgeschwindigkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass eine Steuerleitung angrenzend an das supraleitfähige Element aber isoliert von ihm vorgesehen ist, um an das supraleitfähige Element ein veränderliches Magnetfeld anzulegen, um einen Übergang in der Sperrschicht hervorzurufen, ferner durch eine veränderliche Gleichstromquelle, die an die Steuerleitung angeschlossen ist und durch einen Ausgang, der an im Abstand angeordnete Teile des supraleitfähigen Elementes angeschlossen ist.

Bei dem erfindungsgemässen Element ist eine relativ dünne supraleitfähige Folie über einer relativ dicken supraleitfähigen Folie angeordnet, von dieser jedoch durch eine sehr dünne isolierende Folie getrennt. Im supraleitenden Zustand kann das Sperrelement, auch wenn die Torleitungen an die dünne supraleitfähige Folie angeschlossen sind, einen relativ starken Strom führen,, der wenigstens so gross wie der kritische Strom der dicken Folie ist. Wenn jedoch das Tor durch die über ihm angeordnete Steuerleitung in Normalzustand geschaltet wird, zeigt es die Normaleigenschaften der dünnen Folie. Infolge der Fähigkeit, einen höheren Strom zu führen, besitzt die erfindungsgemässe Vorrichtung eine grössere Verstärkung und wegen des hohen Widerstandes im Normalzustand eine grössere Schaltgeschwindigkeit.

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Qhne durch die Theorie beschränkt zu sein, wird angenommen, lass dieser Effekt eine Folge der Kopplung der Elektronen Über die Sperrschicht infolge der .Kohärenz-Länge der Supraelektronen ist. Eine theoretische Erläuterung der Paar-Bildung von zwei supraleitfähigen Elektronen, die durch eine Sperrschicht getrennt sind, wird in dem Artikel "Superconductive Pairing across Elektron Barriers" von Cohen und Douglas in der Zeitschrift "Physical Review Letters", Band 19, Seite 118-121 vom 17. Juli 1967 gegeben.

Die Erfindung eignet sich für supraleitfähige Tunnel-Elemente, die oft als Josephson-übergang bezeichnet werden, nach Brian D. Josephson, der 1962 voraussagte, dass zwischen zwei Supraleitern, die durch eine extrem dünne (Io - 15 S) Isolierschicht getrennt sind, zwei verschiedene Erscheinungen auftreten können. Die erste ist die, dass ein Gleichstrom zwischen den Supraleitern fliesst, ohne dass ein Spannungsabfall auftritt, obwohl die beiden Leiter noch körperlich getrennt sind. Diese Erscheinung wird der DC-Josephson-Effekt genannt. Die zweite Erscheinung ist die, dass ein Gleichstrom zwischen den Supraleitern fliesst, wobei ein Spannungsabfall auftritt, während gleichzeitig eine elektromagnetische Strahlung mit sehr hoher Frequenz aus der Sperrschicht austritt, wodurch das Vorhandensein eines sehr hochfrequenten Wechselstroms angezeigt wird. Diese Erscheinung wird der AC-Josephson-Effekt genannt. Beide Erscheinungen sind eine direkte Folge der einzigartigen Natur der Supraleitfähigkeit (s. Possible new Effects in Superconductive Tunelling, von B.D. Josephson in Physics Letters, Band 1, S. 251 bis 253 von I.7.62).

Der DC-Josephson-Strom ist ein Suprastrom, der infolge der Elektronpaar-Leitung von einem Supraleiter zum andern

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durch die Isolierschicht ohne Spannungsabfall fliess,t».._ _; und er wird daher häufig als Null-Spannungs-Strom bezeichnet. Die Grosse dieses Stromes hängt teilweise von der Art der . _; verwendeten Supraleitung, den Abmessungen der Isolierschicht _f und der Temperatur ab. Sie hängt auch in kritischer Weise von der Grosse des Magnetfeldes in der Sperrschicht ab. Der maximale DQ-Josephson-Netzstrom, der von der Sperrschicht geführt werden kann, nimmt periodisch ab (wiederholt in regelmässigen Intervallen), wenn die Stärke des Magnetfeldes erhöht wird. Wird der Versuch gemacht, einen stärkeren Strom durch die Sperrschicht zu führen, als dieses Magnetfeld erlaubt, so wird der Suprastrom abgeschaltet und es erfolgt in dem Josesphson-Sperrelement ein Übergang von dem Elektron-Paar- Tunnel zustand, in welchen der Strom durch die Sperrschicht ohne Spannungsabfall fliesst, in einen Einzelelektron-Tunnel zustand, in welchen der Strom mit Spannungsabfall durch die Sperrschicht fliesst. Es wird bemerkt, dass die Supraleiter nie von dem supraleitenden in den normalen Zustand wechseln.Da kein solcher Übergang erfolgt und da der aktive Sperrbereich eine kleine Oberfläche hat, ist die Übergangszeit zur vollen Spannung sehr kurz.

Durch die über dem supraleitfähigen Element angeordnete Steuerleitung wird ein elektrischer Impuls geeigneter Grosse gegeben, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, das die Josephson-Sperrschicht von einem Tunnel-Zustand in den anderen schaltet. Die supraleitfähigen Tunnelelemente können körnige Supraleiter aufweisen.

Zwischen den beiden Supraleitern des Sperrelementes schwingt ein Wechselstrom vor und zurück mit einer Frequenz, die der Spannung über der Übergangsstelle proportional ist. (s."Der Josephson-Effekt von D.M. langenberg in "Scientific American, Band 214, S. 30 - 39 v. Mai 1966). - 5 -

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Die Josephson-Sperrschicht e.ignet sich somit als eine hervorragende Quelle für eine kohärente Strahlung im Millimeterbereich und darunter (von 100 bis 1000 Ghz)_p Obwohl die Leistung einer Übergangsstelle, die aus zwei supraleitfähigen Schichten und einer diese trennenden dünnen Isolierschicht besteht, sehr begrenzt zu sein scheint, wurde festgestellt, dass man eine grössere Leistung erhalten kann, wenn man einen AC-Josephson-Strahlungsgenerator aus körnigen ' oder partikelförmigen Supraleitern aufbaut, in denen jedes Korn oder jeder Partikel aus einem homogenen Supraleiter besteht, wobei jedoch an jeder Korngrenze eine Isolierschicht vorhanden ist, die dünn genug ist, dass die Elektronenpaare des Supraleiters sie unter Ausnutzung der Tunnelwirkung durchdringen, wodurch an jeder Korngrenze eine Josephson-Sperrschicht gebildet wird.

Der erfindungsgemässe körnige Supraleiter kann in einer oder zwei Grundformen hergestellt werden. Zuerst werden viele kleine Kugeln oder andere Partikel eines Supraleiters eng auf einen Träger gepackt oder zu einem schwammartigen Gebilde geformt. Die Partikel des Supraleiters können oxydiert werden, um eine Isolierschicht zu bilden oder sie können in einem Bindemittel verteilt werden, durch das die Partikel in geeignetem Abstand voneinander gehalten werden. Als zweites wird eine Schicht des Supraleiters niedergeschlagen und eloxiert, um Inseln aus homogenem Supraleiter zu bilden, die durch Oxyd getrennt sind und einen solchen Abstand haben, dass zwischen den Inseln eine Tunnel-Wirkung entstehen kann. Die Leistung derartiger Elemente ist proportional der Anzahl der Josephson-Sperrschichten, die in der Strahlungsoberfläche enthalten sind. Da relativ kleine Partikel verwendet werden können, können in einem relativ kleinen Element tausende ▼on Strahlern untergebracht werden, wodurch eine Steigerung

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der abgestrahlten. Leistung in mehreren Grössenordnungen erreicht wird. Der oben zur Verwendung als Strahlungserzeuger "beschriebene Aufbau des körnigen Supraleiters kann auch als Detektor für eine Strahlung im Millimeterbeiach und darunter verwendet werden. Da für eine leistungsfähige Peststellung und Erfassung die einfallende Strahlung senkrecht auf der Tunnel-Sperrschicht stehen sollte und da die Sperrschichten in dem körnigen Supraleiter relativ freiliegen, d.h. nicht durch die supraleitfähige Schicht abgeschirmt sind wie die Sperrschicht eines Josephson-Elementes, die durch ein Paar sich überlappender Supraleiter gebildet wird, bietet der Josephson-Strahlungsdetektor aus körnigem Supraleiter die Möglichkeit einer einfacheren kopplung der einfallenden Strahlung in dem Element und hat er damit eine grössere Empfindlichkeit.

Das aus körnigem Supraleiter bestehende Elektronenpaar-Tunnelelement kann ferner als Torschaltung in einem Cryotron verwendet werden. Eine solche Anordnung bringt beachtliche Vorteile bei der statischen Verstärkung. Da bei einer solchen Torschaltung im wesentlichen viele Josephson-Sperrschichten parallel geschaltet sind, kann sie leicht durch einen schwachen Steuerstrom in einer der Torschaltung benachbarten Steuerleitung geschaltet werden. Demgemäss kann, da ein schwacher Strom zum Schalten eines verhältnismässig starken Stromes verwendet werden kann, eine hohe Verstärkung erreicht werden.

Die Erfindung eignet sich ferner als cryogener Flip-Flop-Speicher oder als logisches Element, wobei Josephson-Sperrschichten verwendet werden. Sie eignet sich ferner zur Erzeugung oder Feststellung sehr hochfrequenter Strahlung. Die

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Torschaltung kann eine· relativ dünne supraleitfähige Schicht enthalten, die durch eine sehr dünne Isolierschicht von einer relativ dicken supraleitfähigen Schicht getrennt ist, ferner eine diskontinuierliche supraleitfähige Schicht, die durch eine dünne Isolierschicht von einer dicken supraleitfähigen Schicht getrennt ist, ferner ein Paar Supra-"leiter, die durch eine Isolierschicht getrennt sind, die genügend dünn ist, dass ein Elektronenpaar sie unter Ausnutzung der Tunnelwirkung durchdringen kann, oder sie kann einen körnigen Supraleiter enthalten, in welchem die Körner durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind.

Beispielsweise Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig.1 einen Teilschnitt einer Josephson-Sperrschicht zeigt.

Fig.2 zeigt ein erfindungsgemässes Element.

Pig.3 zeigt eine Modifikation des Elementes nach Fig.2.

Pig.4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Pig.5 ist eine Strom-Spannungs-Kurve, die die Strom-Spannungs-Charakteristik des erfindangsgeraässen Elementes angibt.

Pig.6 zeigt die Veränderung des maximalen Tunnel-SupraStromes als Punktion des Magnetfeldes.

Pig.7 zeigt vergrössert den Teil von Pig.5 zwischen Null und einem positiven Einheitsquantum des Kraftflusses.

Pig.8 zeigt Teile einer Anzahl von Strom-Spannungs-Kurven für eine Josephson-Sperrschicht, wobei an die Sperrschicht ein Magnetfeld mit zunehmender Stärke angelegt wird.

Pig. 9
"bis 11 zeigen eine erfindungsgemässe Flip-Flop-Schaltung

in verschiedenen Herstellungsstufen,

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Fig.12 zeigt ein erfindungsgemasses supraleitfähigen· Tunnel-Eleiaent, das in einem Cryotron oder einem" Schaltgerät angeordnet ist, wobei die Torschaltung einen körnigen Supraleiter enthält.

und 14 zeigen eine mikroskopische Ansicht von einer Ausführungsform des in Fig.12 gezeigten Elementes in verschiedenen Herstellungsstufen. .

Josephson-Sperrelemente werden bei einer Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur des verwendeten Supraleiters betrieben. Wenn beispielsweise Blei verwendet wird, das eine Übergangstemperatur von 7,3 K hat, kann der Josephson-Effekt leicht bei der Temperatur von flüssigem Helium (4» 2 K) beobachtet werden. Um die Elemente in Tätigkeit zu setzen, müssen sie demgemäss in einer Kälteanlage untergebracht werden. Da eine derartige Anlage jedoch bekannt ist, wird sie nicht dargestellt und beschrieben und es wird in der folgenden Beschreibung angenommen, dass das Element in einer Umgebung mit einer so niedrigen Temperatur angeordnet ist, dass eine Supraleitfähigkeit möglich ist.

Das supraleitfähige Sperrelement nach Fig.1 wird hergestellt, indem Streifen 1 und 2 aus supraleitfähigem Material durch bekannte Methoden auf einen Träger 3 aufgebracht werden. Der Träger 3 kann selbst ein Dielektrikum sein, oder falls er dies nicht ist, kann er eine isolierende Oberfläche haben,, Die Isolierschicht 4 zwischen den Streifen 1 und 2 wird in dem Bereich, der die Übergangsstelle bildet, im allgemeinen dadurch hergestellt, dass die Oberfläche des ersten niedergeschlagenen Streifens 2 oxydiert wird, ehe der zweite Streifen 1 niedergeschlagen wird. Es kann durch bekannte Methoden ausgeführt werden_f einschliesslich der später beschriebenen

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Glimmentladung, Die Dicke einer solchen Oxydschicht beträgt vorzugsweise 10 bis 15 S. Typische Materialien für die Supraleiterschichten sind Blei (Pb) - BxLeioxyd - Blei und Zinn (Sn) - Zinnoxyd - Zinn.

Pig.2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Wegen einer einfacheren Darstellung wurde die übliche Erd- bzw. Grundebene weggelassen. Die Vorrichtung umfasst eine Steuerleitung' 20, eine Isolierschicht 21, ein supraleitendes Torelement, bestehend aus einer dicken supraleitfähigen Schicht 22, einer Sperrschicht 23, ferner ein supraleitfähiges Torelement, das aus einer dünnen supraleitfähigen Schicht 24 besteht, und Torleitungen 25 und 26 aus Blei (Pb). Das Element kann hergestellt werden, indem die verschiedenen Schichten unter Verwendung geeigneter Abdeckungen im Vakuum aufgedampft werden.

Um den Bereich des Sperrelementes darzustellen, ist die Steuerleitung 20 unterhalb der Torschaltung angeordnet. Bei der Herstellung des Elementes wird jedoch vorgezogen, die Steuerleitung oberhalb des Elementes anzuordnen, d.h. angrenzend an die dünne supraleitfähige Schicht, so dass der magnetische Kraftfluss von der Steuerleitung leichter in die dünne supraleitfähige Schicht eindringt und die Torschaltung normal steuert. Eine geeignete Herstellungsmethode ist die folgen*. Eine nicht gezeigte Grundebene wird im Vakuum auf einen geeigneten Träger,wie z.B.Glas, aufgedampft. Darnach wird der Träger aus dem Vakuumsystem herausgenommen und mit einer Schicht aus lichtbeständigem Material, wie z.B. AZ-340, überzogen, das von der Azoplate Corporation hergestellt wird und dazu dient,die Grundebene gegen den übrigen Teil des Elementes zu isolieren. Darnach wird die dicke Schicht 22 aus Zinn, deren Dicke beispielsweise etwa

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6000 Ä beträgt, unter Verwendung einer Abdeckblende aufdampft. Die Sperrschicht 23 kann gebildet werden, indem das Vakuum beseitigt und die Schicht 22 aus Zinn der Atmosphäre ausgesetzt wird, um die Bildung einer Oxydschicht zu ermöglichen, die eine supraleitfähige Paar-Bildung von Elektronen ermöglicht, die durch sie getrennt sind und deren Dicke etwa 10 bis 30 2 beträgt. In dem Vakuumsystem können ferner andere geeignete Mittel vorgesehen werden, um z.B. eine Sauerstoff-Glimm-Entladung hervorzurufen und dadurch die Oxydschicht zu bilden, wie in der USA-Patentanmeldung Nr. 415 845 beschrieben ist. Danach wird die Schicht 24 aus Zinn, deren Dicke vorzugsweise weniger als 1000 A beträgt, im Vakuum unter Verwendung einer geeigneten Abdeckblende niedergeschlagen. Die Torleitungen 25 und 26 aus Blei werden im Vakuum durch eine geeignete Abdeckblende niedergeschlagen, um, wie gezeigt, Kontakt mit der Schicht 24 zu bekommen. Zum Schluss wird die Torschaltung mit einer geeigneten Isolierung, deren Dicke etwa 3000 S beträgt, abgedeckt, um sie gegen die Steuerleitung 20 zu isolieren, die aus Blei (Pb) mit einer Dicke von etv/a 5000 S und einer Breite von etwa 0,25 mm (10 Mil) bestehen kann und im Vakuum unter Verwendung einer geeigneten Blende aufgedampft wird.

Eine veränderliche Stromquelle 27 für Gleichstrom ist vorgesehen, um einen Stromfluss von der Torleitung 26 durch die supraleitfähigen Torelemente 22, 23 und 24 in die Torleitung 25 hervorzurufen. AusserdenT ist eine veränderliche Steuereinrichtung 28 für Gleichstrom vorgesehen, um Strom durch die Steuerleitung 20 zu führen.

Wenn das Element in supraleitfähiger Art und V/eise betrieben wird, fliesst der Strom von der Torleitung 26 durch die

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supraleitfähigen Torelemente 22, 23 und 24 und in die Torleitung 25. Aufgrund ihrer neuartigen Anordnung ist die Torschaltung in der lage, einen viel grösseren Suprastrom zu führen als die dünne Schicht 24 aus Zinn allein führen könne. Es wird angenommen, dass die supraleitfähigen Eigenschaften der dünnen Schicht durch Kopplung von Elektronen in der dünnen Zinnschicht mit Elektronen in der dicken Zinnschicht infolge eines Kohärenzlängen-Effektes gesteigert werden. Wenn durch die Steuerleitung 20 ein Strom geführt wird, der ein Magnetfeld genügender Grosse erzeugt, um die Schicht 24 in Normalzustand zu schalten, werden die Kohärenz-Effekte zerstört und der Widerstand in Normalzustand der Torschaltung ist derjenige der dünnen Schicht 241 da sie nicht mehr mit der dicken Schicht gekoppelt ist. Durch diese Anordnungen v/erden also zwei Vorteile erreicht. Erstens wird aufgrund des stärkeren kritischen Stromes in der Torschaltung eine höhere Verstärkung erreicht. Zweitens wird, da die Schaltzeit Widerstand des Tores im Normalzustand umgekehrt proportional ist, eine grössere Geschwindigkeit wegen des hohen Widerstandes der dünnen Schicht im Normalzustand erreicht. Wenn das Torelement in den Normalzustand geschaltet wird, wird eine Zunahme der Spannung zwischen den Torleitungen 25 und 26 "beobachtet. Dieser Spannungsabfall bzw. dieses Signal kann durch einen geeigneten Ausgang 29 ausgenützt werden, der an das Element angeschlossen ist. Der Ausgang 29 kann beispielsweise einen Abfühlverstärker enthalten, der an Anschluss-Schaltungen ( seripherial logic equipment), die Raumtemperatur haben, angeschlossen ist. Die erfindungsgemässe Torschaltung kann also dieselben Punktionen durchführen wie die Torschaltung in einem üblichen Cryotron, in welchem das Tor nur aus einer Zinn-Schicht besteht, die in eine Torleitung aus Blei eingesetzt ist.

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Sämtliche normale cryogene logische und Spe icherfunktionen, die von einem Cryotron ausgeführt werden, können auch von der erfindungsgemässen Torschaltung ausgeführt werden. Eine allgemeine Diskussion dieser Funktionen und Herstellungstechniken wird in der Zeitschrift "Proceedings of the IEEE¹J Band 52, S. 1164 bis 1207 ν. Okt.1964 gegeben.

Fig.3 zeigt eine andere Ausführungsform des in Fig.2 dargestellten Elementes. In Fig.3 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig.2 bezeichnet, ausser dass das Torelement 34 statt aus einer dünnen kontinuierlichen Folie aus einer diskontinuierlichen Folie besteht, die im Normalzustand ebenfalls einen hohen Widerstand hat. Die Bezeichnung "diskontinuierlich" bedeutet, dass die Folie durch Risse oder Spalten markiert ist und damit dem'Fluss der Elektronen eine hohe Impedanz bietet.

Aus Gründen der Darstellung des Sperrbereiches ist wiederum die Steuerleitung 20 als unterhalb der Torschaltung angeordnet gezeichnet. Bei der Herstellung des Elementes wird jedoch vorgezogen, die Steuerleitung oberhalb des Elementes anzuordnen, d.h. angrenzend an das diskontinuierliche supra-' leitfähige Torelement, so dass der magnetische Kraftfluss aus der Steuerleitung leichter in das diskontinuierliche supraleitfähige Torelement eindringt und das Tor in Normalzustand schaltet.'Das Element nach Fig.3 wird daher in gleicher Weise hergestellt, wie das Element nach Fig.2, ausser dass das diskontinuierliche Torelement 34 dadurch hergestellt wird, dass beispielsweise die Torleitung im Vakuum niedergeschlagen und der Torbereich dann eloxiert wird«

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Pig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Sie enthält eine .Steuerleitung 41, eine Isolierschicht 42, eine Torleitung 43 aus Blei (Pb), eine Sperrschicht 44 und eine Torleitung 45 aus Blei. Das Element kann hergestellt werden, indem die verschiedenen Schichten unter Verwendung geeigneter Blenden im Vakuum aufgedampft werden. Eine zweckmässige Herstellungsmethode ist die folgende: eine nicht gezeigte Grundebene wird auf einen geeigneten Träger, wie z.B. Glas, im Vakuum aufgedampft. Danach wird der Träger aus dem Vakuumsystem herausgenommen und mit einer Schicht aus lichtbeständigem (photoresist) Material , wie z.B. AZ-340, überzogen, das von der Azoplate Corporation hergestellt wird und dazu dient, die Grundebene gegen den übrigen Teil des Elementes zu isolieren. Danach wird die Steuerleitung 41, die aus Blei mit einer Dicke von etwa 5000 £ und einer Breite von etwa 0,25 nun (10 Mil) bestehen kann, unter Verwendung einer geeigneten Blende durch Vakuumverdampfung niedergeschlagen. Die Steuerleitung wird dann mit einer geeigneten Isolierschicht 42 abgedeckt, deren Dicke etwa 3000 $. beträgt, um sie gegen die erste Torleitung 43 zu isolieren, die ebenfalls durch Verdampfung und unter Verwendung einer Blende niedergeschlagen wird. Die Sperrschicht 44 kann gebildet werden, indem das Vakuum beseitigt und die Torleitung 43 der Atmosphäre ausgesetzt wird, um die Bildung einer Oxydschicht mit einer Dicke von etwa 15 S zu ermöglichen. Es können ferner, wie oben beschrieben, andere geeignete Mittel angewandt werden, um in dem Vakuumsystem eine Sauerstoff-Glimmentladung zu zünden und dadurch die Oxydschicht zu bilden. Zum Schluss wird die zweite, aus' Blei bestehende Torleitung 45 im Vakuum niedergeschlagen.

Ss ist eine veränderliche Stromquelle 47 für Gleichstrom vor-

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gesehen, um einen Strom von der Torleitung 45 durch die Sperrschicht und in die Torleitung 43 fliessen zu lassen. Ferner ist eine veränderliche Steuereinrichtung 48 für Gleichstrom vorgesehen, um Strom durch die Steuerleitung 4l zu führen.

Die Strom-Spannungs-Charakteristik des in Pig.4 gezeigten supraleitfähigen Tunnel-Elementes ist in Fig.5 dargestellt. Das Sperrelement zeigt einen Null-Spannungs-Strom für Ströme, die schwächer sind als ein bestimmter Maximalwert Ij.

Wenn dieser kritische Wert überschritten wird, so schaltet das Sperrelement abrupt in den Einzeln-Elektron-Tunnelzustand mit einer entsprechenden Zunahme der Spannung über die Sperrschicht, die durch einen geeigneten Ausgang 49 verwendet werden kann, der, wie in Fig.4 gezeigt ist, an das Sperr-Element angeschlossen ist. Der Ausgang 49 kann beispielsweise einen Abfühlverstärker aufweisen, der mit Anschluss-Schaltungen (peripherial logic equipment) gekoppelt ist, die Raumtemperatur haben. Diese Spannung, die an der Sperrschicht auftritt, während diese im Einzel-Elektron-Tunnelzustand ist, wird gewöhnlich als Ausgangsspannung oder Ausgangssignal benutzt. Die Ausgangsspannung ist durch die für das Sperrelement gewählten Supraleiter bestimmt. Wenn beide Supraleiter aus Blei bestehen, so beträgt die Ausgangsspannung etwa 2,5 Millivolt.

Wie aus der Kurve in Fig.5 hervorgeht, erfolgt der Übergang vom Ausgang zur Null-Spannung, bei der der Strom niedriger ist und der Elektronenpaar-Tunnelzustand wieder hergestellt ist, bei einem Strom, der etwas schwächer als Ijist, wodurch eine Hysteresis entsteht. Die gestrichelte Kurve in Fig.5 ist die Strom-Spannungs-Charakteristik des Tunnelzustandes des Einzelektrons. Wenn die Spannung genügend gross wird,

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nimmt der Tunnelstrom asymptotisch Ohm¹sehen Charakter an·

Die Wirkung eines Magnetfeldes auf den maximalen Tunnel-Suprastrom ist in Fig.6 gezeigt, in der Ij den Suprastrom darstellt. Wenn der magnetische Kraftfluss in der Isolierschicht gleich Null ist, hat der Tunnel-Suprastrom ein Maximum. Minima treten auf, wenn der Kraftfluss in der Sperrschicht ein ganzzahliges Vielfaches der Einheitsquanten beträgt. Ein Einheitsquantum des Kraftflusses ist gegeben, durch hc/2e(wobei h die Plank¹sehe Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und e die ladung eines Elektrons sind) und

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es ist gleich 2,07 x 10' gauß - cm ·

Die Verwendung des erfindungsgemassen Elementes als Cryogen-Schalter geht besser aus einer Betrachtung der Pig.7 hervor, die den Teil der Pig.6 zwischen Null und einem positiven Einheitsquantum des Kraftflusses zeigt. Ij„ ist der maximale Josephson-Tunnelstrom, den die Sperrschicht führen kann. Wenn ein Magnetfeld H.» an die Sperrschicht angelegt wird, beispielsweise mit Hilfe der Störleitung 4-1 (Pig.4), schaltet das Sperrelement in den Einzelclektron-^unnelzustand um. Über der Sperrschicht tritt eine Ausgangsspannung V^ auf. Wird das Magnetfeld H₁ in dem Sperrelement beibehalten, so ist der neue Null-Spannungs-Strom Ij-j. In gleicher Weise kann das Sperrelement durch die Magnetfelder H₂ und H, umgeschaltet werden, was entsprechend zu neuen Nullspannungs-Strömen Ij₂ und Ij, führt. Diese Art und Weise des Betriebes ist ferner in Pig.8 dargestellt, die eine Anzahl I-V-Kurven für ein Sperrelement zeigt, wenn Magnetfelder zunehmender Stärke angelegt werden(die Hysteresis-Seile der Kurven wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen). Wenn ein

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8Ä, . -is- ¹⁸°3SS3

Einheitsquantum des Kraftflusses angelegt wird, entsteht natürlich kein neuer Elektronenpaar-Tunnelstrom der Sperrschicht und die Strom-Spannungs-Charakteristik des Elementes ist diejenige, die durch die gestrichelte Kurve in Fig.5 dargestellt ist. Bei bestimmten Anwendungen kann das supraleitfähige Grytron als Stromrelais ungesehen werden. Man kann deshalb eine Strom-Steuerschleife zur Verarbeitung logischer informationen oder Speicherinformationen bauen. Fig.11 zeigt eine wichtige Anwendung der Erfindung als logisches Flip-Flop-Element oder als Flip-Flop-Speicherelement. Eine Flip-Flop-Schaltung . "besitzt im allgemeinen eine Speicherschleife mit zwei Zweigen oder Stufen und einer Steuer-Torschaltung in jedem Zweig, ferner darüber angeordneten Steuerleitungen und Abfühlleitungen, die an sie angrenzende Abfühltore enthalten.

Fig.11 zeigt eine cryogene Flip-Flop-Schaltung mit zwei Zweigen I und II und supraleitfähigen Tunnel-Torschaltungen I₁ bis X*, wobei X₁ und X₂ ¹^¹*³- ^X3 ¹^ ^xa Abfühltore sind. Eine Steuerleitung zum Anlegen eines veränderlichen Magnetfeldes an jede der Sperrschichten, um sie von dem Elektronenpaar-Tunnel zustand in den Einzelelektron-Tunnelzustand umzuschalten, ist angrenzend an jede der Sperrschichten, aber isoliert von diesen, angeordnet. Eine Abfühlleitung ist angrenzend an jeden der Zweige, aber isoliert von diesen, angeordnet, die von den Abfühltoren X, und X.gekreuzt wird.

Wenn kein Steuerstrom vorhanden ist, wird ein Speisestrom I zwischen den supraleitfähigen Zweigen I und II umgekehrt zur Induktivität der Zweige geteilt. Wenn die Sperrschicht X₁ in einem Zweig durch den Steuerstrom I_c2 in den Normal-Tunnelzustand geschaltet wird, erfolgt in der Schleife

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(Zweige I und II) eine Stromneuverteilung. Wenn die Steuerströme I ₁ und I « abwechselnd angelegt werden, hat der Steuerstrom I₁ eine ähnliche Wirkung wie der Strom I_C2» der eine Flip-Flop-Schaltung hervorruft. Bei dieser Flip-Flop-Wirkung ist wichtig, dass, wenn eine Sperrschicht geschaltet wird, z.B. X₁, wodurch der Strom I in den gegenüberliegenden Zweig II geführt wird, keine Neuverteilung des Stromes erfolgt, wenn die geschaltete Sperrschicht X₁ in den supraleitenden Tunnelzustand zurückkehrt. Die Sperrschichten JCj und Xg sind mit Verlängerungen a und b aus Blei versehen, die als Steuerung für die Abfühl-Sperrschichten X* und X. dienen.

Wenn Abfühlströme I₁ und I__o durch die Sperrschichten X_x und X. geführt werden, so wird, wenn I_c1 angelegt wird, der Strom I in den Zweig I gesteuert, wodurch die Sperrschicht X, in den normalen Tunnelzustand umgeschaltet wird. Die Ausgangs spannung von X~ kann dazu benützt werden, anzuzeigen, dass die Flip-Flop-Schaltung im Zweig I Strom führt. Das Fliessen eines Stromes in den Zweigen I oder II ergibt die beiden logischen Zustände, die in der Computer-Technik allgemein als O-Ztistand oder 1-Zustand bekannt sind.

Die supraleitfähige Tunnel-Flip-Flop-Schaltung hat mehrere Vorteile gegenüber dem üblichen Cryotron, insbesondere den, dass kein Übergang der Supraleiter in den Normalzustand erfolgt. Man erreicht dadurch eine grössere Schaltgeechwindigkeit, einen geringeren Energieverbrauch je Schaltvorgang und eine grössere Wiederholungshäufigkeit. Man erhält ferner einen stärkeren Signalausgang, der unabhängig von der Geometrie des Elementes ist, eine niedrigere Schwelle für die Eingangssignale und eine grössere Toleranz bei der Temperaturregelung. . - 18 -

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Die Grundeigenschaften der Stromsteuerschleife können vielfach modifiziert werden, wodurch eine Vielzahl von Computer-Punktionen erfüllt werden können. Die Steuerschleife kann zur Speicherung verwendet werden. Man verwendet den Strom I ₁, um den Strom I in den Zweig I zu lenken. Wird der Strom I₁ ebenfalls weggenommen, so entsteht ein anhaltender Strom in der Schleife, der durch X, oder X. abgefühlt werden kann. Die Richtung des gespeicherten Schleifenstromes kann bestimmt werden, indem unter der Schleife und parallel zu jedem Zweig nicht gezeigte Abfühl-Vorspannungsleitungen angeordnet werden. Wenn z.B. in der an X* angrenzenden Abfühlleitung ein Strom fliesst, der ein Magnetfeld erzeugt, das zu dem Feld hinzukommt, das durch den in Uhrzeigerrichtung fliessenden Schleifenstrom erzeugt wird, so wird die Sperr-, schicht X. durch die zusammengefassten Felder geschaltet. Die Richtung des Stromes in der Schleife kann somit bestimmt werden, indem ein Strom durch eine Abfühl-Vormagnetisierungsleitung in einer besonderen Richtung geführt und dann beobachtet wird, ob die Sperrschicht schaltet.

Die Fig.9 "bis 11 zeigen eine erfindungsgemässe Flip-Flop-Schaltung in verschiedenen Herstellungsstufen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind der Träger, die Grundebene und die Isolierschichten nicht dargestellt.

Bei der Herstellung des in Fig.11 gezeigten Elementes wird ein geeigneter Träger, z.B. eine Glasplatte, die etwa 5x5 cm (2χ2 Zoll) misst, in ein Vakuumsystem gebracht, dessen Druck -5

auf etwa 10 mm Hg gesenkt wird. Das Vakuumsystem wird dann mit Argon oder Sauerstoff bis zu einem Druck, von etwa 10"*^ mm Hg gefüllt und eine Wechselstrom-Glimmentladung mit 12000 Volt so angeordnet, dass der Träger in der dunklen Bohre liegt. Die Glimmentladung wird etwa 5 bis 15 Minuten

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durchgeführt, um die Adhäsion der nachfolgenden Schichten auf dem Träger zu verbessern. Nach dieser Behandlung wird das Vakuumsystem wieder auf einen Druck von etwa 10 mm Hg abgepumpt und ein Bleifilm auf der gesamten Fläche des Trägers niedergeschlagen. Dies kann mit Hilfe üblicher Aufdampf ungsmethoden durchgeführt werden, wobei Blei in der Vakuumkammer an einer Stelle im Abstand unterhalb des Trägers erhitzt und der Dampf durch einen Kamin nach oben geführt wird, so dass er auf die Fläche des Trägers auftrifft und kondensiert. Dieser Bleifilm kann eine Dicke im Bereich von 1000 bis 10000 X haben, was von der speziellen Schaltung abhängig ist und er dient als G-rundebene.

Danach wird durch eine geeignete Methode auf den Bleifilm eine Isolierschicht aufgebracht. Die Isolierschicht kann ein lichtempfindliches Material sein, wie es von der Fa. Kodak oder der Azoplate Corporation auf den Markt gebracht wird. Nachdem die lichtbeständige Isolierschicht aufgebracht worden ist, wird der Träger mit den Schichten in das Vakuumsystem zurückgebracht, das dann auf einen Druck von etwa 10 mm Hg abgepumpt wird· Auf der gesamten Isolierschicht wird dann eine Bleischicht niedergeschlagen, wobei Teile dieser Schicht einen Teil der supraleitfähigen Tunnel-Übergangsstellen bilden. Der Träger mit den Schichten wird dann aus der Vakuumkammer herausgenommen und erhält einen Überzug aus lichtbeständigem Material, wie z.B. Azoplate AZ-17, auf der gesamten Oberfläche des Bleifilmes. Das Material AZ-17 ist ein positives photographisches Deckmittel und es wandelt sich, wenn es ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, in eine Verbindung um, die durch einen Entwickler für AZ-17, der von denselben Herstellern verkauft wird, entfernt werden kann. Hachdem die AZ-17-Schicht entwickelt worden ist, verbleiben nur noch die nichtbelichteten Bereiche, die danach durch ein geeignetes Mittel, wie z.B. Azeton, entfernt

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werden können. Nachdem der Bleifilm vollständig mit einer Schicht aus AZ-17 überzogen und in einer unschädlichen Umgebung getrocknet worden ist, kann er bei einer niedrigen Temperatur von etwa 95⁰C gebrannt werden, um die Adhäsion der AZ-17-Schicht an dem Bleifilm zu verbessern.

Nachdem die AZ-17-Schicht ausgehärtet ist, wird eine photographische Blende, die transparente Teile in den Bereichen hat, in denen der Bleifilm entfernt werden muss, und die undurchsichtige Teile hat, wo der Bleifilm beibehalten wird, über dem Träger angeordnet und dann nahe auf die lichtempfindliche Isolierschicht gebracht , um Schatteneffekte herabzusetzen. Das isolierende oder lichtbeständige Material wird eine geeignete Zeitdauer der Strahlung einer ultravioletten Lichtquelle ausgesetzt. Der Träger wird dann in den AZ-17-Entwickler eingetaucht, um die belichteten Teile des AZ-I7-Überzugs zu entfernen, und er wird dann in entionisiertes Wasser getaucht, um die Wirkung der Entwicklerflüssigkeit aufzuheben.

Danach wird der Träger mit den auf ihm angeordneten Materialien in ein Ätz- oder Beizmittel getaucht, das nur die belichteten Bereiche des Bleifilmes angreift. Eine 10 50?Sige lösung (Volumenprozente) von HNO, eignet sich sehr gut für diesen Zweck· Nach der notwendigen Zeit wird der Träger wiederum in entionisiertem Wasser gespült, um das Ätzmittel zu beseitigen und dann in einer nicht schädlichem Umgebung getrocknet, um eine Verschmutzung der Bleioberfläche, die durch das Ätzen freigelegt wurde, zu vermeiden. Der restliche AZ-17-Überzug wird dann entfernt, indem der Träger in ein geeignetes Mittel, wie z.B. Azeton,getaucht wird, worauf er mit einem inerten Gas getrocknet wird. ' -.21 -

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Es ist wiederum erwünscht, die freigelegten Flächen des Bleifilmes in einer unschädlichen Atmosphäre &u halten, um eine Oxydation oder eine andere Verschmutzung der Oberfläche zu verhindern. In Pig.9 ist das Element (ausser dem Träger) in dieser Herstellungsstufe gezeigt.

Danach wird eine weitere Schicht aus lichtempfindlichem Material auf die Oberfläche der Bleileitungen aufgebracht, die auf dem Träger verbleiben. Nachdem der Überzug getrocknet ist, wird eine zweite undurchsichtige und durchsichtige Photoblende genau mit dem vorher aus dem Bleifilm geätzten Muster ausgerichtet und auf den Träger gedruckt. Der empfindliche PiIm wird in den Bereichen, in denen Josephson-Sperr-Schichten gebildet werden sollen, ultraviolettem Licht ausgesetzt. Dann, wenn die Deckschicht,wie oben beschrieben, behandelt worden ist, werden die belichteten Teile entfernt, um Fenster über den Bereichen zurückzulassen, die die isolierenden Sperrschichten bilden. Der Träger wird in die Vakuumkammer zurückgebracht,und wie oben beschrieben durch eine Glimmentladung in einer Argon-Atmosphäre behandelt. Unmittelbar darauf wird eine Glimmentladung in einer Sauerstoff -Atmospäre durchgeführt, wodurch das Blei oxydiert wird und Sperrschichten gebildet werden. Die dazu erforderliche Zeit hängt von den Versuchsbedingungen ab, sie beträgt jedoch mit den für die Argon-Behandlung benötigten Spannungen und Drücken einige Sekunden. •

Hachdem die isolierenden Sperrschichten gebildet worden sind, wird ein weiterer Bleifilm niedergeschlagen, abgedeckt und in der oben beschriebenen Weise geätzt, um die zweiten Torleitungen zu bilden. Diese Herstellungsstufe des Elementes ist in Pig.10 dargestellt. Danach wird eine weitere Isolierschicht aus einem Ehoto-Deckmittel aufgebracht, um das supraleitfähige Tunnelelement gegen die Steuer- und Abfühl-

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leitungen zu isolieren· Die Steuer- und.Abfühlleitungen werden dann durch Niederschlagen, Abdecken und Ätzen in der beschriebenen Weise hergestellt, um die Torleitungen zu bilden. Die hiermit fertige Flip-Flop-Schaltung ist in Fig.11 gezeigt.

In Fig.12 ist eine Steuerleitung 51» eine Isolierschicht 52, Torleitungen 53 und 55 aus Blei (Pb) und ein Tor 54

α gezeigt· Das Tor 54 enthält einen körnigen oder partikelföCTnigen Supraleiter, wobei jedes Korn oder jeder Partikel einen homogenen Supraleiter darstellt, wobei jedoch an jeder Korngrenze, d.h. dort, wo die Partikel aneinanderstoseen, eine dünne Isolierschicht, z.B. ein Oxyd vorhanden ist· Diese Isolierschicht ist dünn genug, dass die Elektronenpaare des Supraleiters sie unter Ausnützung der Tunnelwirkung durchdringen (tunnelling), wodurch an jeder Korngrenze oder jeder Grenzfläche zwischen den Partikel eine Josephson-Sperrschicht gebildet wird. Wie bereits ausgeführt, kann der körnige Supraleiter einer solchen Tunnel-Sperrschicht eine von zwei Grundformen haben. Erstens können die Partikel des Supraleiters direkt auf dem Träger abgelagert

^ werden« Es können oxydierte Partikel eines metallischen Supraleiters sein oder die Partikel können in einem geeigneten isolierenden Bindemittel verteilt sein. Zweitens kann eine Schicht eines Supraleiters abgelagert und dann eloxiert werden, um inselähnliche Gebilde aus homogenem supraleitendem Material zu bilden, die durch ein Oxyd getrennt sind und einen Abstand haben, so dass zwischen den Inseln eine Tunnelwirkung auftreten kann·

Eine Art, Einzelpartikel leicht auf einen Träger aufzubringen, ist die Ablagerung. Eine detaillierte Beschreibung dieser

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"bekannten Technik wird* in dem "Journal of Physical, and Colloid Chemistry Band 54, S.1045 bis 1053 von 1950 und in den Transactions of the Eleotrochemical Society, Band 94, Seiten 112 bis 118 von 1945 gegeben. So wird beispielsweise ein feinverteiltes Pulver eines Supraleiters, genauer gesagt Tantal-Partikel mit einem Durchmesser von einem Micron, das eine Übergangstemperatur von 4,5° K hat, durch eine Argon-Glimmentladung geführt, um sie zu reinigen und dann durch eine Sauerstoff-Glimmentladung, um ihnen einen Oxydüberzug geeigneter Dicke zu geben, um die Tunnelwirkung zu ermöglichen. Die Pulver fallen dann in eine Absetzflüssigkeit auf der Oberfläche eines Trägers. Das abgesetzte Material erhält dann das gewünschte Muster.

Bei einem anderen Verfahren werden die Partikel des Supraleiters in ein Photo-Deckmittel eingebettet. Das supraleitfähige Pulver wird mit einem lichtbeständigen Material, wie z.B. dem oben beschriebenen Azoplate-Photodeckmittel, gemischt, auf die betreffende Fläche aufgebracht, getrocknet und dann mit einem Muster versehen. Da das Azoplate-Photodeckmittel ein positives Deckmittel ist, entpolymerisieren die dem Licht ausgesetzten Bereiche. Demgemäss werden die' Bereiche, die entfernt werden sollen, belichtet, entwickelt und dann mit einem geeigneten Ätzmittel, wie z.B. Essigsäure oder einer Mischung aus Essigsäure und Wasserstoff-Peroxyd entfernt. Dieses Ätzmittel löst sowohl das Photodeckmittel als auch den Supraleiter.

Zur Bildung der Korngrenzen oder Sperrschichten kann die elektrolytische oder Plasma-Anodisierung angewandt werden. Hierbei wird ein relativ dicker kontinuierlicher Film niedergeschlagen, der dann anodisch behandelt wird, wodurch er die gewünschte körnige Struktur erhält. Beispielsweise kann

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Tantal elektrolytisch oxydiert werden mit einem Verhältnis "Oxyddicke : Spannung ^M von 14 S je Volt. Nahezu dasselbe Verhältnis kann durch Plasmaoxydierung erreicht werden. DurchVerwendung, eines Ramp-Generators und automatische Messtechniken, die für die Dünnfilm-Technologie von Tantal entwickelt wurde, wird eine sehr genaue Steuerung und Regelung erreicht. Eine genauere Erläuterung dieser Techniken wird in dem Artikel "Structure Dependent Properties of Tantalum-Tantalum Oxyd thin Film Resistors" in der Zeitschrift IEEE Transactions on Materials and Packaging, Seite 14, März 1967 gegeben. Ferner in dem Artikel "Basic Problems in thin Film Physics" in Proceedings of the International Symposium on thin Film Physics, Göttingen 1965, herausgegeben von "Niedermayer & Mayer ( Vanderhoeck und Rupprecht, Göttingen, 1966) Seite 579.

Zuerst wird ein kontinuierlicher Film niedergeschlagen, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Dann wird der Film eloxiert. Das Oxyd wächst gleichmässig an den dicken und dünnen Teilen des Filmes wie Fig. 14 zeigt. Die Oxydation ist beendet, wenn an den Korngrenzen eine Oxydschicht von weniger als etwa 4o 8 in wenigstens einer Dimension zwisc-hen den inselähnlichen Gebilden vorhanden ist. Diese Bedingung kann durch Messung der Impedanz des Filmes während der Oxydation eingehalten werden. Vorzugsweise soll die kleinste Abmessung der Inseln an ihrer Basis (d.h. wo sie den Träger berühren) loo S übersteigen.Wenn gewünscht, kann das Gebilde geglüht werden, um seine Zuverlässigkeit und Wirkungsweise zu verbessern. Die Oxydschicht dient ferner als Schutzüberzug. Eine zweckmässige Herstellungsweise für das in Fig. 12 dargestellte Element ist die folgende: die Steuerleitung 51 wird durch Vakuumverdampfung und Abdeckung mittels Blenden niedergeschlagen. Danach wird eine Isolierschicht 52 aus einem Photo-

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deckmittel aufgebracht, um die Steuerleitung gegen die Torschicht zu isolieren. Danach wird eine Schicht eines Supraleiters wie 25.B.Tantal im Vakuum auf den Träger niedergeschlagen, abgedeckt und mit einem Muster versehen, um die Torleitung zu bilden. Die Torleitung aus Tantal wird dann mit einer Blende abgedeckt, um den Torbereich freizulegen, der dann eloxiert wird, um in der oben beschriebenen Weise eine Tunnelsperrschicht aus körnigem Supraleiter zu bilden.

Es ist eine veränderliche Stromquelle 56 für Gleichstrom vorgesehen, um Strom von der Torleitung 55 durch das supraleitfähige Tor 54 und in die Torleitung 53 fliessen zu lassen. Ferner ist eine veränderliche Steuereinrichtung 57 für Gleichstrom vorgesehen, um durch die Steuerleitung 51 Strom fliessen zu lassen. Ein geeigneter Ausgang 58, der einen Abfühlverstärker enthalten kann, der mit einer Anschlussschaltung gekuppelt ist, die Raumtemperatur hat, ist beispielsweise, wie dargestellt, an das Element angeschlossen.

Die betrieblichen Charakteristiken des in Fig.12 dargestellten

Elementes sind ähnlich denjenigen des in Fig.4 gezeigten J

Elementes. Wenn das Element in supraleitender Weise betrieben wird, fliesst ein Uull-Spannungsstrom durch das Tor 54.

Wenn durch die Steuerleitung 51 ein Steuerstrom fliesst, der einen genügend starken Magnetfluss erzeugtj schaltet das Tor abrupt in den Einzelelektron-Tunnelzustand um mit einer entsprechenden Steigerung der Spannung über der Torschaltung, die durch den Ausgang 58 ausgenutzt wird. Da das Tor aus körnigem supraleitfähigem Material im wesentlichen aus parallelgeschalteten Josephson-Sperrschichten besteht, kann es einfach durch einen schwachen Steuerstrom in einer relativ schmalen Steuerleitung geschaltet werden, da der Kraftfluss, der durch, die Steuerleitung erzeugt wird, nur die Dicke

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des Tores und nicht dessen Gesamtbereich durchdringen muss, um das Tor in Normalzustand zu schalten. Da also ein schwacher Strom verwendet wird, um einen verhältnismässig starken Strom zu schalten, wird eine hohe Verstärkung erreicht. Das in Pig.12 gezeigte Tunnelelement kann auch in der AG- Josephson-Weise betrieben werden, um eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Pur die Erzeugung oder Peststellung einer Millimeterstrahlung oder einer noch kürzeren Strahlung ist das Element in einem geeigneten Wellenleiter eingebaut, z.B. in einem rechteckigen Metallrohr, in welchem sich eine elektromagnetische Strahlung ausbreiten kann, wobei das Element an eine Stromquelle angeschlossen ist· Das Element kann als Detektor benutzt werden, ±_naem die einfallende Strahlung in der Sperrschicht gekoppelt wird und das Element geeignet vormagnetisiert wird. Durch die Übergangsstelle wird, wenn sie der Strahlung ausgesetzt wird, ein Signal erzeugt, das verstärkt und durch übliche Methoden abgenommen werden kann·

Es können ferner andere Supraleiter, wie z.B. Niobium und Aluminium verwendet wenden. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sondern es sind Abänderungen möglich, ohne vom Rahmen der Erfindung oder von den Ansprüchen abzuweichen.

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Claims

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»Patentansprüche:

1. Supraleitfähiges Element mit zwei Supraleitern, einer isolierenden Sperrschicht, die zwischen diesen "beiden Supraleitern angeordnet ist, um sie getrennt voneinander zu halten und einer veränderlichen Gleichstromquelle, die an im Abstand angeordnete Stellen des supraleitfähigen Elementes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerleitung (20,41) angrenzend an das supraleitfähige Element aber isoliert von ihm angeordnet ist, um ein veränderliches Magnetfeld an das supraleitfähige Element anzulegen, um einen Übergang in der Sperrschicht hervorzurufen, dass ferner eine veränderliche Gleichstromquelle(28, 48) an diese Steuerleitung angeschlossen ist und dass ein Ausgang (29,49) an im Abstand angeordneten Stellen des supraleitfähigen Elementes angeschlossen ist.

2. Supraleitfähiges Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das veränderliche Magnetfeld, das an das supraleitfähige Element angelegt ist, die Sperrschicht vom supraleitfähigen Zustand in einen Zustand umschaltbar ist, in dem sie einen spezifischen Widerstand aufweist.

3. Supraleitfähiges Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderliche Gleichstromquelle über einen ersten (24,34)dieser^ide§upraleiter angeschlossen ist.

4. Supraleitfähiges Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Supraleiter (24) dünn im Vergleich mit dem zweiten Supraleiter (22) ist·

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5. Supraleitfähiges Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Supraleiter (34) ein diskontinuierlicher Supraleiter ist.

6. Supraleitfähiges Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Sperrschicht (44) genügend dünn ist, um eine Elektronenpaar-Tunnelwirkung durch sie hindurch zu ermöglichen, und dass die veränderliche Gleichstromquelle (47) an den ersten und den zweiten Supraleiter (43,45) angeschlossen ist, die dieses Supraleiterpaar bilden und dass das veränderliche Magnetfeld durch die Steuerleitung (41) an diesen ersten Supraleiter (43) angelegt wird, um die Sperrschicht von dem Elektronenpaar-Tunnelzustand in den Einzelelektron-Tunnelzustand zu schalten.

7· Supraleitfähiges Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suprastrom-Tunnelverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Supraleiter gebildet wird, die eine Stromspannungs-Charakteristik mit einem Bereich zunehmenden Stromes bei O-Übergangsspannung und einen kritischen Turme1-Suprastrom hat, bei dem die Übergangs-Spannung abrupt von dieser 0-Spannung auf einen endlichen' höheren Wert ansteigt, und dass der kritische Tunnel-Suprastrom sich als Funktion des Magnetfeldes ändert, das an die Übergangsstelle angelegt ist, so dass das veränderliche Magnetfeld angelegt werden kann, um die Amplitude des kritischen Tunnel-Suprastromes zwischen Werten grosser und kleiner als eingegebener Strom zu variieren, der durch die Übergangsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Supraleiter fliesst.

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8. Supraleitfähiges Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom von der Gleichstromquelle, die an den ersten und den zweiten Supraleiter angeschlossen ist, schwächer ist als der kritische Tunnel-Suprastrom dieser Übergangsstelle bei einem Null-Magnetfeld«

9. Supraleitfähiges Element nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet', dass ein zweites Paar von Supraleitern vorgesehen ist, zwischen denen eine isolierende Sperrschicht (X₂) angeordnet ist, um sie getrennt voneinander zu halten, und die mit den ersten beiden Supraleitern und der zu diesen gehörenden isolierenden Sperrschicht (X₁) zusammenarbeiten, um einen ersten und einen zweiten Zweig(I, II) einer supraleitenden Schleife zu bilden, dass ferner die Steuerleitung angrenzend an jede der Sperrschichten, aber isoliert von ihnen angeordnet ist, um ein veränderliches Magnetfeld an jede der Sperrschichten anzulegen, um sie von dem Elektronenpaar-Tunnelzustand in den Einzelelektron-Tunnelzustand umzuschalten, dass ferner eine Abfühlleitung angrenzend an diese Schleife, aber isoliert von ihr angeordnet ist, und dass isolierende Sperrschichten (X,, X*), die genügend dünn sind, um eine Elektronenpaar-Tunnelwirkung durch sie hindurch zuzulassen, diese Abfühlleitung an Punkten schneiden, die jedem dieser Zweige direkt gegenüberliegen, um ein cryogenes logisches Element oder Speicherelement zu bilden.

10. Supraleitfähigea Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine körnige Schicht aus eupraleitfähigem Material, die einzelne Körner enthält, und eine isolierende Sperrschicht, die dünn genug ist,. eine Elektronenpaar-Tunnelwirkung durch sie hindurch zuzulassen, durch die die einzelnen Körner voneinander getrennt sind. ,

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8.10.68 -Sa11. Supraleitfähiges Element nach. Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der isolierenden Sperrschicht, durch die die Körner voneinander getrennt sind, weniger als 4-0 £ beträgt.

12. Supraleitfähiges Element nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine veränderliche Grleichstromquelle an diese körnige Schicht angeschlossen ist.

13. Supraleitfähiges Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerleitung angrenzend an diese körnige Schicht, aber isoliert von ihr angeordnet iat, um ein veränderliches Magnetfeld an diese körnige Schicht anzulegen, um die Sperrschicht von dem Elektronenpaar-Tunnelzustand in den Einzelelektron-Tunnelzustand

das s
umzuschalten, /ferner eine veränderliche Gleichstromquelle an diese Steuerleitung angeschlossen ist und dass ein Ausgang an diese körnige Schicht angeschlossen ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines körnigen Supraleiters' nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus einzelnen Körnern aus supraleitfähigen! Material abgelagert und diese Schicht eloxiert wird, ma entsprechende Inseln aus supraleitfähigen! Material zu bilden, die durch eine Oxydschicht getrennt sind, die dünn genug ist, um eine Elektronenpaar-Tunnelwirkung durch sie hindurch zuzulassen.

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