DE2214014A1 - Suprastrom-Anordnung - Google Patents

Description

Western Electric Company, Inc. Anderson 3-1-4

New York, N. Y, USA . O 9 1 Λ Π 1 A

Suprastrom- Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Suprastrom-Anordnung zum Aufrechterhalten eines Suprastrom-Wirbels, mit einer ersten Schicht aus nicht- supraleitenden Material, die genügend dünn zum Hindurchtunneln eines Suprastroms ist, zwischen zwei Schichten aus supraleitenden Material. ' ■ -,

In den Anfangszeiten der Supraleitungstechnik war das Grundschaltbauelement das klassische Cryotron, ein stromgesteuertes Bauelement, das zwischen einem supraleitenden und einem normalleitenden Zustand geschaltet werden konnte. Mit dem Fortschreiten der Technik wurden ausgeklügeltere Schalter entwickelt, wie der Josepheon-Übergang. Der Josephson-Übergang, ein Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS), sowie der nunmehr bekannte Supraleiter-Normalme tall-Supraleiter (SNS), Punktkontakt- und Brückenanordnungen, zeichnen sich aus durch die Fähigkeit, einen Suprastrom bei einer

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Spannung O bis zu einem bestimmten maximalen kritischen Strom J

aufrecht zu erhalten, und durch eine "normalen" Supraleitungszustand bei einer endlichen Spannung. Solche Bauelemente werden jetzt als "schwachgekoppelte" (weak-link) Bauelemente beschrieben. Das Schalten zwischen diesen Zuständen wird typischerweise dadurch bewirkt, daß man einen zugeführten Strom auf oberhalb und unterhalb J verändert, oder indem man den zugeführten Strom festeingestellt läßt und ein magnetisches Feld variiert, das seinerseits J ändert. Der grundlegende Josephson-Übergang und seine oben erwähnten Eigenschaften sind in der US-Patentschrift 3, 281, 609 beschrieben, in der gezeigt wird, wie ein einziger Übergang einfache Logikfunktionen ausführen kann. Verbesserte Formen von schwachgekoppelten Bauelementen sind in der US-Patentschrift 3, 564, 351 erläutert. Außerdem stellt der in der US-Patentschrift 3,450, 735 angegebene Zähler oder analog-digital-umsetzer ein Beispiel der bekannten Supraleitungstechnik dar, bei welchem Binärinformation durch einen Josephson-Übergang dargestellt wird, der sich entweder in seinem Suprastrom-Nullspannungs-Zustand oder seinem "normalen" Supraleitungs-Entlichspannung-Zustand befindet. Jedoch erlaubt diese bekannte Anordnung nur begrenzte Logikfunktionen und erfordert in Serie geschaltete Übergänge und einen komplizierten Aufbau (d.h. viele Schichten, um all die Übergang zu bilden).

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Es wäre wünschenswert, den Aufbau dadurch zu, vereinfachen, daß die Gesamtzahl der Schichten minimal gemacht wird. Es wäre auch wünschenswert, daß eine Suprastrom-Anordnung kompliziertere Logik- und Datenverarbeitungsvorgänge erlaubt.

Diese Probleme werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Anordnung in den drei Schichten eine Vielzahl Zonen vorgesehen ist, die jeweils beim Vorhandensein eines zirkulierenden Suprastromes ein lokales Energie minimum aufweist, um eine Vielzahl bevorzugter Stellen zum Aufrechterhalten von Suprastrom-Wirbeln zu bilden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß entsprechende Punkte benachbarter bevorzugter Stellen einen Abstand S voneinander aufweisen, der näherungsweise die Beziehung LI = C/ erfüllt, wobei L die selbst Induktivität einer Suprastrom-Wirbelzone, I der kritische Gesamtstrom einer Zone mit einer Länge S und 0 _ ein einzelnes Magnetflußquant ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte bevorzugte Stellen einen Abstand voneinander aufweisen, der näherungsweise der doppelten Josephson-

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-A-

*schen Eindringtiefe \ gleich ist.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausbildung besteht darin, daß eine bevorzugte Stelle durch eine Aus spar rung "in Form eines Spaltes in der nichtsupraleitenden Schicht gebildet ist, um dort das Hindurchfließen von Suprastrom zu verhindern.

Eine weitere vorteilhafte Aus führungs form der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine bevorzugte Stelle durch eine Zone vergrößerter Dicke in der nichtsupraleitenden Schicht gebildet ist, um dort das Hindurchfließen von Suprastrom zu verhindern.

Eine andere vorteilhafte Aus führungs form der Erfindung besteht darin, daß eine bevorzugte Stelle durch Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes im wesentlichen in der Ebene der nichtsupraleitenden Schicht gebildet ist.

Eine weitere erfindungsgemäße Aus führungs form trägt das Merkmal, daß eine bevorzugte Stelle durch einen Stromfluß innerhalb der Anordnung gebildet ist, der von einer äußeren Quelle zugeführt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch ge-

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■ - 5 -

kennzeichnet, daß eine bevorzugte Stelle durch eine seitliche Abmessungs-änderung in der Anordnung gebildet.ist, um eine veränderliche Induktivität pro Längeneinheit längs der Anordnung mit einem darin befindlichen lokalen Minimum zu erzeugen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung trägt das Merkmal, daß ein Suprastrom-Wirbel durch Anlegen eines elektromagnetischen Steuerfeldes von einer bevorzugten Stelle zu einer anderen übertragen wird.

Eine weitere erfindungsgemäße Aus führungs form trägt das Merkmal, daß die Übertragung des Suprastrom-Wirbels durch zuführen eines äußeren Steuerstroms ah eine supraleitende Schicht gesteuert wird.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Übertragung eines Suprastrom-Wirbels durch das Magnetfeld eines benachbarten wandernden Suprastrom-Wirbels gesteuert wird.

x-

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein widerstandsbehafteter Nebenschluß vorgesehen ist, der zur Unterdrückung von Schwingungen in der Anordnung parallel

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zu einem Josephs on-Üb er gang geschaltet ist.

Gemäß der Erfindung ist eine schwachgekoppelte Suprastrom-Logikanordnung dazu in der Lage, eine Vielzahl eingeschlossener Suprastrom-Wirbel aufrechtzuerhalten. In einer ausgedehnten Josephson-Übergangsvorrichtung, deren Abmessung im Vergleich zur Josephson *schen Eindringtiefe (\ ) ist, wird solch ein Wirbel durch eine räumliehe Veränderung des Suprastromes J (x) induziert, in dem ein positiver Suprastrom durch die Oxidisolators chicht und in den benachbarten Supraleiter in eine Tiefe λ , die London-Eindringtiefe, dann auf einen Abstand von etwa 2λ_τ den Supraleiter entlang, dann wieder zurück durch das Oxid als negativer Suprastrom in den entgegengesetzten Supraleiter in eine Tiefe λ und schließlich zurück zum Ausgangspunkt fließt. Ein solcher Wirbel weist einen Gesamtmagnetfluß von

-15
genau p =2, 07x10 Weber auf, das bekannte Flußquant. Hiernach soll der Ausdruck "Wirbel" eine Größe kennzeichnen, die sowohl den zirkulierenden Suprastrom J (x) als auch das dadurch induzierte Flußquant (p umfaßt. >■

Wenn sich einmal ein Wirbel gebildet hat, stellt er sich vorzugsweise so ein und verteilt sich so in einer Zone, daß sich ein lokales Minimum der Summe aus magnetischer Energie plus Josephsonakzent^scher-

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Kopplungsenergie einstellt. Wo eine Vielzahl solcher bevorzugter Stellen in einer einzigen schwach gekoppelten Vorrichtung vorhanden

ist, ist es möglich, den Wirbel von einer solchen Stelle zu einer anderen zu bewegen. Dies geschieht durch Einwirken lassen einer Kraft, zum Beispiel durch Zuführen eines lokalen Stromes, zum Beispiel durch Zuführen eines lokalen Stromes oder durch Anlegen eines magnetischen Feldes an eine dem Wirbel nahegelegenen Zone.

Jm folgenden wird eine Anzahl von Wegen beschrieben, um solche bevorzugten Stellen zu schaffen. Zum Beispiel:

(1) Erzeugen von Zonen in der Vorrichtung, in denen J (x) - 0 ist, d.h. durch absichtliches Einbauen von spaltförmigen Aussparungen in dem Oxid. Dadurch wird eine Vorrichtung mit periodischen Oxidzonen gebildet. Eine ähnliche Vorrichtung kann auch hergestellt werden, bei der diskret getrennte, parallel geschaltete Übergänge verwendet werden. ·

(2) Herstellung des Oxids mit variabler Dicke, um Zonenvariablen J (x) in einer Art zu schaffen, die der unter (1) oben genannten ähnlich ist.

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(3) Anlegen eines lokalen magnetischen Feldes an periodisehe Stellen entlang der Oxidschicht.

(4) Zuführen eines lokalen Stromes an periodische Stellen entlang der Oxidschicht, um ein lokales Magnetfeld analog dem oben unter (3) genannten zu schaffen.

(5) Herstellen der Vorrichtung in derart, daß sie eine variable Selbstinduktivität pro Längeneinheit aufweist. Das heißt, bei Draufsicht ist die Breite des Bauelementes in einer vorgeschriebenen Weise gewählt, so daß ein Wirbel vorzugsweise von selbst eine Position um eine Zone minimaler Breite einzunehmen.

In gleicher Weise können Wirbel und bevorzugte Stellen in anderen Arten von schwach gekoppelten Vorrichtungen erzeugt werden. Wie er hier verwendet wird, umfaßt der Ausdruck "schwach gekoppelte Vorrichtung", ohne darauf begrenzt zu sein, nicht nur einen Aufbau mit einer einzigen gleich förmigen Zone schwacher Kopplung ( zum Beispiel Aufbau (3), (4) und (5) ) sondern auch einen Aufbau mit einer Vielzahl kleiner, getrennter, parallelverbundener Zonen schwacher Kopplung (zum Beispiel Aufbau (1) und (2) oben).

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Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 . eine Endansicht eines typischen Josephson-

Überganges;

Fig. 2, Teile A bis E, die schrittweise Veränderung der

räumlichen Suprastrom-Verteilung, wenn der zugeführte Strom vergrößert wird; .

Fig. 3A in schematiseher Darstellung einen eingefan

genen Wirbel mit einem Suprastrom J (x) und einem Magnetfeld B ;

Fig. 333, 3C grafische Darstellung der angenäherten Verteilung des Wirbelmagnetfeldes in den Übergang der Vorrichtung der Fig. 3A;

Fig. 4A-4C Endansichten einer Josephson-Übergangsvorrichtüng gemäß einem erfindungsgemäßen Aus- - führungsbeispiel, bei welchem ein Loch im

Oxid eine Zone schafft, wo J = 0 ist;

Fig. 5 eine isometrische Ansicht eines zweiten erfin

dungsgemäßen Ausführungsbeispiels, für das

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diskrete Josephson-Übergänge benutzt werden;

Fig. 6 eine Endansicht eines dritten erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispiels, bei welchem die Oxidschicht variable Dicke aufweist;

Fig. 7A eine Endansicht eines vierten erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispiels, bei dem lokalisierte Magnetfelder verwendet werden, um bevorzugte Wirbelstellen zu erzeugen;

Fig. 7B . eine Endansicht eines fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei welchem zur Übertragung bevorzugte Stellen geschaffen sind;

Fig. 8 eine Endansicht eines sechsten erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispiels, bei dem Stromquellen verwendet werden, um bevorzugte Wirbelstellen zu schaffen; ^v

Fig. 9 ν eine isometrische Ansicht eines siebten erfin-

t
dungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem

eine variable Selbstinduktivität verwendet wird,
um bevorzugte Wirbelstellen zu bilden;

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Fig. 1OA eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Ar

beitsbeispiel, bei dem ein Paar parallel geschalteter Vorrichtungen der Fig. 5 benutzt werden;

Fig. 1OB eine schematische Darstellung der Fig. 10A.

Vor der detailierten Diskussion der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele wird es nützlich sein,, den räumlichen Aufbau des Suprastromes in einem Supraleiter-Isolator-Supraleiter- (SIS)- Joseph-.son-Übergang und die anschließende Erzeugung eines eingefangenen Suprastrom-Wirbels zu betrachten. Ein SIS-Josephson-Übergang ist lediglich als Beispiel dargestellt. Selbstverständlich können die folgenden Betrachtungen genausogut auf andere Arten von schwach gekoppelten Vorrichtungen angewendet werden.

In Fig. 1 ist eine Endansicht einer verlängerten Josephson-Übergangsvorrichtung JO mit einer Länge 1 sehr viel größer (1»λ ) , der Josephson-Eindringtiefe, gezeigt. Die Vorrichtung 10 ist vielschichtig aufgebaut und umfaßt eine Oxidschicht 12 (zum Beispiel PbO ),· die zwischen einem Paar supraleitender Schichten 14 und 16 (zum Beispiel Pb) gebildet ist. Eien Stromquelle 18 ist an die Supraleiter an der linken Kante 19 angeschlossen. .

Wenn der Strom der Quelle 18 erhöht wird, dringt der Suprastrom J (x)

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immer weiter von links nach rechts in die Vorrichtung bis zu einem Strom I = I ein, wie er in Fig. 2, Teil A gezeigt ist. Der maximale Suprastrom tritt an der linken Kante (x = 0) auf, und die Verteilung J (x) verringert sich zunehmend bis auf 0 bei einem Abstand λ_τ /2 von der linken Kante. Es sei bemerkt, daß sowohl in Fig. 1 als auch in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Suprastrom lediglich aus Gründen der Klarheit an der Endfläche gezeigt ist. Praktisch wäre der Suprastrom im inneren der Vorrichtung, und er hätte seinen Platz generell gegenüber den Kontakten der Quelle 18. Wenn der Strom weiterhin erhöht wird, wandert der Punkt des Maximums J (x) von der linken Kante weg nach rechts, wie es in Fig. 2, Teilen B und C gezeigt ist. Tatsächlich fließt der Suprastrom bei I > I durch den Übergang in beiden Richtungen, wie es durch die positiven und negativen Werte von J (x) in Fig. 2, Teil D dargestellt ist.

An diesem Punkt sollte bemerkt werden, daß die räumlichen Suprastrom· Verteilungen J (x) bis J (x) im Raum festgelegt sind. Bei einem Strom I = I > I (Fig. 2, Teil E) ist jedoch eine Grenze erreicht, bei der die Suprastrom-Verteilung sich nicht selbst einstellen kann, um zusatz- · liehen Strom aufzunehmen. Demzufolge beginnt sich ein Wirbel zu bilden, der mit einer Geschwindigkeit und bis auf einen durch Dämpfungsvorgänge (zum Beispiel durch Tunneln einzelner Partikel) nach rechts wandert. Gleichzeitig beginnt sich ein anderer Wirbel an der linken

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Kante zu bilden, wie es mit Bezugnahme auf Fig. 2, Teile A bis D beschrieben worden ist. Der Vorgang wiederholt sich, bis andere Faktoren wirksam werden, zum Beispiel daß der zugeführte Strom verringert ist oder ein wandei-'nder Wirbel an einer bevorzugten Stelle irgendwo zwischen der linken und rechten Kante anhält. Methoden, zum Erzeugen solcher bevorzugten Stellen werden hiernach diskutiert.

In Fig. 3A ist schematisch ein abgetrennter Wirbel dargestellt, wobei angenommen ist, daß der Wirbel an irgendeiner beliebigen bevorzugten Stelle feststeht, die mit 20 bezeichnet ist. Vom Punkt 20, an dem J (x) = 0 ist, nimmt der Suprastrom (positiv und negativ) auf jeder Seite zu bis zu einem AbstandX _T (typisch etwa 100 u m in SIS-Vorrichtungen, aber typischerweise beträchtlich kurzer in SNS- "und anderen schwachgekoppelten Vorrichtungen), sodaß sich die Gesamtlänge der räumlichen Verteilung von J (x) über eine Länge von etwa zwei \ erstreckt. Dieser Strom tunnelt durch die Oxidschicht von einem Supraleiter zum anderen und dringt in eine TiefeX ein, der London-Eindringtiefe (typisch etwa 0,1 ,u m in SIS-Vorrichtungen). Wie gezeigt ist fließt der seitliche Skinstrom in jedem Supraleiter parallel zur Oxidschicht 12, aber in entgegengesetzten Richtungen, und formt somit eine geschlossene Suprastrom-Schleife, deren Zentrum im Punkt 20 liegt. Dieser Strom weist genau ein magnetisches

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Flußquant p =2,07x10" Weber auf, das sich durch die Oxidschicht von einer Endfläche 19 bis zu der anderen (nicht gezeigt) erstreckt und sich durch den Raum insich selbst schließt. Das mit dem Wirbel verknüpfte Magnetfeld B ist mit (J) durch die bekannte Beziehung

B_v(x,y)dA

verbunden, wobei A die durch J (x) abgegrenzte Fläche darstellt. Lediglich zur Vereinfachung ist B in Fig. 3A durch eine einzige geschlossene Flußlinie dargestellt. Ίη Wirklichkeit hat B (x) in X-Richtung längs des Übergangs etwa die Form einer Gaus^schen Kurve, wie es in Fig. 3B gezeigt ist, während B (z) in der Z-Richtung senkrecht zum Übergang im Oxid gleichförmig ist und bis auf einen Abstand von etwa λ exponentiell abfällt, wie es in Fig. 3C dargestellt ist.

Ein nach der oben beschriebenen Art einmal erzeugter Wirbel wird eine bevorzugte Stellung und Verteilung in einer Zone derart einnehmen, daß ein lokales Minimum (nicht notwendigerweise ein absolutes

Minimum) der Summe E der magnetischen Energie E plus der Jörn

sephson-Kopplungsenergie E erzeugt wird, d.h. ein Minimum von

E=E + E _, gegeben durch
m J ⁶

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5- ρ 0_n Γ

μ₀Β dV -— \ J_c(x_jy)cos^(x,y)dxdy (1)

Gesamtraum Ebene des Übergangs

Der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (1) ist E_-, und der zweite ist E , wobei u die Permeabilität des freien Raumes darstellt. B ist das gesamt Magnetfeld, das B . + B gleich ist, wo-

6ITC V

bei B das Magnetfeld außerdem des Wirbels und B das mit dem Wirbel verbundene Magnetfeld ist. V ist ein Volumen, φ ist das Flußquant. J (xy) ist die kritische Suprastrom-Dichte in der Übergangsebene (x, y), und φ (χ, y) ist die räumlich abhängige Phasendifferenz zwischen den Wellenfunktionen in den Supraleitern auf jeder Seite des Übergangs.

Ein Wirbel "sucht" effektiv Zonen, in denen diese Minimisierung erreicht werden kann. Ein Wirbel, der einmal in einer solchen Zone Stellung bezogen hat, bleibt dort, bis eine Kraft auf den Wirbel einwirkt, wie weiter unten beschrieben werden wird.

Folglich ist es wünschenswert, eine solche Vorrichtung zu schaffen, daß sich Wirbel derart verteilen können, daß E minimal und/oder E maximal wird (da letzterer Anteil in E negativ eingeht). Natürlich

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können Bedingungerfüllungen nötig sein, da in einer besonderen Vorrichtung die Lage eines Wirbels zum Beispiel in einer besonderen

Zone sowohl E als auch E_ verkleinern oder umgekehrt sowohl E_T m J ⁰J

als auch E vergrößern kann. Im letzteren Fall sollte deshalb die relative Größe der Änderungen betrachtet werden. Unter Ausnutzung der obigen Kriterien wurde festgestellt, daß bevorzugte Wirbelstellen auf zahlreichen Wegen erzeugt werden können, zum Beispiel:

(A) durch Herstellen einer schwachgekoppelten Vorrichtung mit einer oder mehreren Zonen, wo J=O ist, wie es bei Verwendung von diskreten Josephson-Übergängen der Fall ist;

(B) durch Herstellen zum Beispiel einer Oxidschicht eines Josephson-Überganges mit einer Dicke, die sich in z-Richtung entlang der Schicht ändert;

(C) durch Verwendung eines gleichförmigen Überganges und punktförmigen Magnetfeldquellen, die an periodischen Punkten entlang des Überganges angeordnet sind, um ein Feld zu errichten, das B entgegengerichtet ist;

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(D) durch Verwendung von lokal zugeführten Strömen, um das Feld von (C) herzustellen;

(E) durch Herstellen der schwachgekoppelten Vorrichtung in solcher Art, daß eine veränderliche Selbstinduktivität pro Längeneinheit vorhanden ist.

Vor der Beschreibung eines jeden der obigen Ausführungsbeispiele soll jedoch die Festlegung des Abstands zwischen bevorzugten Stellen diskutiert werden.

Verteilung bevorzugter Stellen

um in einen gleichförmig ausgedehnten Übergang (zum Beispiel Fig. 3A/ 7 A, 8) Flußwirbel aufrecht zu erhalten, ist der geeignete Abstand benachbarter bevorzugter Stellen etwa 2 X . Andererseits ist in einem nicht gleichförmigen Übergang (zum Beispiel Fig. 4C, 5, 6) der geeignete Abstand S folgendermaßen bestimmt: ist eine ausgedehnte Vorrichtung mit einem beliebigen Abstand S zwischen versuchsweise ausgewählten bevorzugten Stellen gegeben, aber andererseits mit einer festgelegten Geometrie, kann man in bekannterweise leicht numerisch die Erstreckung und präzise Form einer Suprastrom-Verteilung J (x, y)

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errechnen, die ein einziges Flußquant (fi aufweist; d.h. die Form eines Wirbels in einer solchen Vorrichtung kann bestimmt werden. Dies Berechnung wird unter Verwendung der Josephson *schen Gleichungen (siehe zum Beispiel Physical Review, Band 41, Seite 2047 (1970), von C. S. Owen und D. J. Scalapino), die die räumliche Änderung von φ (χ, y) mit den magnetischen Feldern verbinden, unter Hinzuziehung der Maxwell ^s chen Gleichungen ausgeführt, die den Suprastrom-Fluß mit der magnetischen Feldverteilung verbinden.

Hat man so ein-beliebiges S gewählt und die Wirbelform berechnet, vergleicht man diese, beiden. Ist die Wirbelausdehnung in der x-Richtung wesentlich größer als der Abstand S, wird die Berechnung für ein kleineres S wiederholt, bis ein Wert von S bestimmt ist, der der Wirbelausdehnung in der x-Richtung im wesentlichen gleich ist. Wenn umgekehrt Anfangs ein zu großer Wert S gewählt worden ist, ist es möglich, daß mehr als ein Wirbel in einer Zone der Länge S existieren kann. Diese Möglichkeit kann leicht durch numerische Berechnung überprüft werden. Wenn dies* der Fall ist, sollte ein kleineres S gewählt werden, bis dieses wiederum der Wirbelausdehnung in der x-Richtung gleich kommt. Exakte Gleichheit ist jedoch nicht erforderlich, solange es so gewählt ist, daß es einen einzigen Wirbel begrenzt.

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.22HQU

Für eine erste Näherung ist die Erfüllung der Beziehung

L I = 0 (2)

dem vorausgehenden Kriterium äquivalent. Dabei ist L die Selbstinduktivität einer typischen Suprastrom-Schleife, die ein einzelnes Flußquant 0 aufweist. I ist der kritische Gesamtstrom einer Zone der

Vorrichtung mit der Länge S.

Ausführungsform A; Zonen, in denen J=O ist

Ein Weg zur Erzeugung einer Zone, in der J=O ist, besteht darin, die Oxidschicht 12 in Fig. 4A mit einem Loch 22 darin zu bilden, daß sich zwischen den Supraleitern erstreckt. Demgemäß bildet der Suprastrom J (x) sein Zentrum in dem Loch, wobei der Strom auf beiden Seiten des Loches in entgegengesetzten Richtungen fließt. Der Fluß . (p ( nicht gezeigt), ist in die Zeichnungsebene hineingerichtet und wird im wesentlichen auf das Loch 22 begrenzt.

Um qualitativ den Grund dafür zu erkennen, daß der Wirbel es bevorzugt, auf dem Loch zu "sitzen", muß man sich klar machen, daß der

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rechte Ausdruck (E _T) der Gleichung (1) für alle Stellen in dem Übergang ein Maximum ergibt, für die cos φ gleich 1 ist {φ = 0, 2_π). Jedoch verursacht das Vorhandensein zum Beispiel eines Magnetfeldes B (y) in der y-Richtung, entweder von einer äußeren Quelle oder dem Wirbel selbst, eine räumliche Veränderung von φ in der x-Richtung, da die Ableitung άφ/dx proportional zu B (y) ist. Demzufolge schreibt das alleinige Vorhandensein eines Wirbels vor, daß φ nirgends in der x-Richtung 0 sein kann. Bezieht man sich wieder auf Fig. 3A, so ist cos </ = 1 an den Punkten 21 und 23 den äußeren Rändern von J (x), und cos φ = -1 im Zentrum 20. An dazwischen liegenden Punkten nimmt cos φ Werte zwischen +1 und -1 an. Da sich φ mit χ ändert, tut dies folglich cos φ auch. Um E zu verkleinern, währe es wünsehenswert, den Anteil der Zonen mit Werten von cos j6O zu reduzieren (zum Beispiel negative Anteile von Zonen, wo cos φ < 0 ist). Ein Weg, mit dem dieses Ergebnis bewirkt werden kann, besteht darin, das Zentrum des Wirbels an einen Punkt zu legen, wo J =0 ist, da

E das Produkt von J (x, y)cos φ (χ, y) umfaßt. Folglich sind die nega-J c

tiven Beiträge zu E eliminiert, E ist vergrößert und E ist vermin-

J J

x dert wie gewünscht.

Es sei nun ein breiter gemachtes Loch betrachtet, wie es bei 24 in Fig. 4B gezeigt ist. Da in dem Loch kein Suprastrom fließen kann,

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■ öl "

gleicht sich die Verteilung J (x) dem Loch dadurch an, daß sie ihre Dichte-in den äußeren Zonen bei 26 und .28 erhöht. Es sei bemerkt, daß die" Vorrichtung der Fig. 4B zwei diskreten Übergängen zu ähneln beginnt, mit einem auf jeder Seite des Lochs 24. Schließlich erhält eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 4C gezeigt ist, mit einer Vielzahl solcher Löcher 24 zwischen getrennten Oxidzonen 30 eine Vielzahl von Wirbeln, wobei jedes Loch das Zentrum eines Wirbels bildet. Wie oben diskutiert ist, sind die Oxidzonen durch einen Abstand S getrennt, der so berechnet ist, daß er der Gleichung (2) genügt. Deshalb ist durch jede der Suprastrom-Schleifen 32, die zwischen benachbarten Oxidzonen 30 fließen, ein einzelnes Flußquant induziert. Es sei auch bemerkt, daß Supraströme von benachbarten Wirbeln durch einen gemeinsamen Übergang in entgegengesetzten Richtungen fließen können,

. '—v

wodurch darin eine im wesentlichen vollständige Auslöschung des Suprastroms erzeugt wird. Somit fließen benachbarte Suprastrom-Schleifen 32.1 und 32. 2 durch einen gemeinsamen Übergang 30.2 und erzeugen eine im wesentliche totale Auslöschung. Deshalb erstreckt sich die Schleife effektiv zwischen den Übergängen 30.1 und 30. 3 und umfaßt zwei Wirbel, von denen einer sein Zentrum bei Punkt 24.1 und der andere beij Punkt 24.2 hat.

j ■ .

Anstatt der Verwendung von löchern in einer ansonsten gleichförmigen

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Übergangsvorrichtung zur Erzeugung bevorzugter Wirbelstellen ist . es möglich, wie in Fig. 5 gezeigt, eine getrennte Übergangskonfiguration zu benutzen, die Gleichung (2) erfüllt. In diesem Fall wird das "Loch" durch Herstellen eines U-förmigen Supraleiters 40 gebildet, an dessen Endteilen getrennte Oxidschichten 42 und 44 gebildet werden. Danach wird ein Supraleiter 46 aufgebracht und' mit den Oxidschichten verbunden. Dadurch wird ein Paar elektrisch parallel geschalteter Josephson-SIS-Übergänge gebildet. Eine Suprastrom-Quelle 48 bewirkt das Fließen eines Suprastroms J (x) auf einem durch die gestrichelte Linie dargestellten Pfad. Dieser Suprastrom ist Träger eines Magnetfeldes B , daß das durch den U-förmigen Supraleiter 40 und den Supraleiter 46 gebildete Loch umschnürt. Die Verwendung einer Vorrichtung dieser Art in einem Schieberegister wird unten mit Bezugnahme auf die Fig. 1OA und 1OB beschrieben.

Ausführungsform B: wechselnde Isolatordicke

Wenn man bedenkt, daß dicke Isolatorzonen (zum Beispiel etwa 20 A dick) auch Zonen erzeugen, wo J =0 ist (da das Hindurchtunneln eines Elektronenpaares wirksam verhindert ist), folgt daraus, daß eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, eine Vielzahl von eingefangenen Wirbeln erhalten kann. Im speziellen Fall ist ein Isolator, zum Bei-

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spiel eine Oxidschicht .12, mit einer Vielzahl von dünnen Oxidzonen 62 hergestellt, von denen jede einen Suprastrom zu führen in der Lage ist, und die voneinander durch dicke Öxidzonen 60 getrennt sind, in denen jeweils J =0 ist. Wie oben weisen die dünnen Oxidzonen 62 voneinander einen Abstand S auf, der so berechnet ist, daß er Gleichung (2) erfüllt. Demgemäß bevorzugt ein einzelner Wirbel eine dicke Oxidzone 60 als Zentrum, wobei der Suprastrom J (x) durch benachbarte dünne Oxidzonen (d.h. wirksame Übergänge) fließt.

Ausführungsform C: lokalisierte Magnetfelder

In Fig. 7Ajist ein Querschnitt eines zweistufigen Josephson-Schieberegisters gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem eine im wesentlichen gleichförmige Oxidschicht 59 zwischen einem Paar ausgedehnter supraleitender Schichten 63 und 64 eingebettet ist. Wirbel werden durch eine Stromquelle 61 erzeugt, die mit den Supraleitern 62 und 64 an der linken Kante 57 verbunden ist. Beispielsweise wird ein Paar bevorzugter Wirbelstellen 66 und 68 dadurch eingerichtet, daß auf jede dieser Stellen ein durch Quellen 70 und 72 erzeugtes äußeres Magnetfeld B . gerichtet wird. Die magnetische Richtung von B ist der von B entgegengesetzt. Dadurch wird das Gesamtfeld B=B , + B reduziert. Da E dadurch verringert

ext ν m ^to

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wird, verteilen sich die Wirbel von selbst rund um die Punkte 66 und 68, so daß lokale Minima entsprechend Gleichung (1) erzeugt werden. Da Fig. 7 einen gleichförmigen Übergang darstellt, befinden sich die Punkte 66 und 68 in einem Abstand von etwa zweiA, _T, um Gleichung (2) zu erfüllen.

Um ein Wandern der Wirbel nach rechts zu bewirken, ist eine Stromquelle 74 vorhanden, die durch Schalter vor richtungen 75 und 77 selektiv mit den jeweils zwischen Wirbelstellen befindlichen Punkte 52 und 54 verbunden werden kann. Bei geschlossenem Schalter 77 fließt ein Strom I in einer Zone durch den Übergang, die rechts von der Suprastrom-Schleife J (x) in deren Nachbarschaft liegt. Der Strom

Ci

I fließt in die selbe Richtung wie J (x) in Zone 69. Als Folge davon

Ci 2

verschiebt sich J₀ (x) nach rechts (zu I_ hin). Am äußeren rechten Ende wird der Wirbel durch eine Verb räuchervorrichtung 76, typischerweise ein schwachgekoppeltes Doppelübergang -Magnetometer (oder Alternativ ein Voltmeter) festgestellt, die am rechten Ende der Supraleiter 63 und 64 angeschlossen ist. Es sei darauf hingewiesen, daß beide Wirbel durch gleichzeitiges Schließen der Schalter 75 und 77 zusammen bewegt werden können. Zusätzlich können benachbarte Wirbel gleichzeitig bewegt werden, wenn I genügend hoch ist (so daß J J nach rechts "schiebt"). Man sollte jedoch vorsichtig sein, da

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zuviel Steuerstrom I die Übergänge in einen Zustand endlicher Spannung treiben kann. Außerdem sollte der. Kontrollstrom, wenn er zwischen bevorzugten Wirbelstellen fließt, wie bei Punkt 52, viel näher bei der bevorzugten Wirbelstelle fließen, die er steuern soll, als bei der nächsten benachbarten Wirbelstelle. Zum Beispiel sollte Punkt 52, da L dazu bestimmt ist J zu steuern, näher an der Wirbelstelle 66 als an der Wirbelstelle 68 liegen.

Eine ähnliche Ausführungsform ist in Fig. 7B gezeigt. Das aufeinanderfolgende Anlegen von Quellen magnetischer Felder, die durch Steuerquellen M1-M3, Ml*-M3\ind Ml "-M3 " erzeugt werden, bewirkt, daß die bevorzugten Wirbelstellen wandern, und somit die Wirbel selbst. Ist.beispielsweise nur M1-M3 eingeschaltet, so ergeben sich bevorzugte Stellen, die jeweils durch ein χ an Stellen P1-P3 gekennzeichnet sind. Wenn nun Ml"- M3^V ebenfalls eingeschaltet werden (und dann Ml-M3 ausgeschaltet werden) bewegt sich die bevorzugte Stelle nach rechts auf dazwischen liegende Positionen Pl ^-PS*. Demzufolge bewegen sich Wirbel, die ursprünglich ihr Zentrum bei Pl-P3 hatten, jeweils nach Pl*-P3*. In gleicherweise bewirkt die Aktivierung von Ml"-M3^M eine Bewegung der Wirbel nach links jeweils bis Pl"-P3". Diese Form der Steuerung kann genau so gut für die anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden.

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Ausführungsform D: Stromquellen zur Erzeugung von B

cXX

Wie oben bezüglich der Ausführungsform C, Fig. 7A ausgeführt worden ist, legen Quellen eines magnetischen Feldes B , das an periodische Stellen entlang der Oxidschicht angelegt wird, bevorzugte Wirbelstellen fest. Dabei ist vorgesehen, daß die Richtung B der von

6XX

B im Oxid entgegengesetzt ist. Ih Fig. 8 sind die Feldquellen 70 und 72 der Fig. 7A jeweils durch lokale Stromquellen 80 und 82 ersetzt worden. Der resultierende Stromfluß in der Oxidschicht 59 von den Quellen. 80 und 82 erzeugt an jeder bevorzugten Stelle ein lokales Magnetfeld B . Betrieb und Aufbau dieser Ausführungsform sind ansonsten

Θ XX

identisch mit der von Fig. 7A. Zusätzlich ist jedoch eine andere Form einer Wirbelquelle gezeigt. Anstatt mit den Supraleitern 63 und 64 verbunden zu sein, ist die Stromquelle 61 mit einer Induktivität 65 verbunden, die so angeordnet ist, daß sie ein Magnetfeld an einem Punkt 66 in der Nähe des linken Endes in der Übergangsebene erzeugt. Dieses Feld erzeugt seinerseits einen zirkulierenden Suprastrom J (x). Jede dieser Quellen kann austauschbar für jede der erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden.

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Ausführungsform. E: veränderliche Selbstinduktivität

In Fig. 9 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einem ersten Teil 84 gezeigt, wo J (x, y) gleichförmig und nicht 0 ist, und

einem zweiten, seitlich angrenzenden Teil 86, wo J (x,y) = 0 ist, und die Selbstinduktivität pro Längeneinheit wechselnd ist. Die Selbstinduktivität pro Längeneinheit L (x) der kombinierten Teile ist deshalb ebenfalls wechselnd. - - "

Spezieller ausgedrückt weist Teil 84 zum Beispiel einen gleichförmigen Josephson-Übergang auf mit einer gleichmäßig dicken Oxidschicht 91.1, die zwischen supraleitenden Schichten 93.1 und 95.1 eingebettet ist. Teil 86 ist gleichmäßig aufgebaut mi der Ausnahme, daß die Oxidschicht 91. 2 dicker ist, damit J darin zu 0 gemacht wird. Zusätzlich ist die Breite des Teils 86 in einer Richtung (y-Achse), die normal zur Richtung der Wirbelwanderung (x-Achse) verläuft, wechselnd. Um ein wechselndes L (x) zu erzeugen, ist mindestens eine zur Ausbreitungsrichtung parallele Kante 90 in. wellenförmiger, vqrzugsweise periodischer Form gemacht. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, hat die Kante 90 beispielsweise Rechteck-Wellenform. Eine mit Supraleitern 93.1 und 95.1 verbundene Stromquelle 92 bringt über dem Übergang einen Suprastrom-Fluß hervor und erzeugt eingefangene Wirbel, wie

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oben beschrieben. Diese Wirbel bevorzugen von sich aus sie Einnahme von Stellen an Punkten 9C minimaler Breite (d.h. in den Aussparrungen). Wie oben wird den Zonen 89 zwischen bevorzugten Wirbelstellen 96 von einer Steuerquelle 94 ein Strom zugeführt, um die Wirbel selektiv oder gleichzeitig nach rechts zu verschieben, je nach dem, wie Schalter 87 geschlossen sind. Natürlich kann die Vorrichtung der Fig. 9 auch symetrisch sein, wenn man an einer Endfläche 88 einen Aufbau herstellt, der im wesentlichen spiegelbildlich zum Teil 8G ist.

Damit diese Ausführungsform beim IOinfangen von Wirbeln in den Aus-.sparrimgen 90.2 wirksam arbeitet, ist es wichtig, daß der Aussparrung,s ab si and s genau gewählt wird. In Vorrichtungen, bei welchen die Wellungen komplizierte Formen haben, kann ein .genaues s durch numerische Analyse berechnet werden, um Gleichung (2) zu erfüllen. In der Ausführungsform der Fig. 9 wird jedoch eine einfache Wellenform verwendet, nähmlich eine Reehteek-Wellenform. Die maximale Breite (y-IMmension) ist 2w, die minimale Breite (in einer Aussparrung 90. 2) ist w, die Breite einer Aussparrung ist κ und die Aussparrungen sind voneinander durch-einen Abstand s getrennt. In dieser Vorrichtung ist die iSelbstinduktivität pro Längeneinheit L in den Aus.sparrungen 90. gegeben (lurch '

L - u₍₎ (2X₁J <0/w (3)

209U4ü/UO4B ^; ν ■'■-:·■

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-•29-

dabei ist μ die Permeabilität des freien Raumes, - die London-Eino L

dringtiefe und d die Oxiddicke in Teil 86. In den breiten Abschnitten 90.1 ist die Induktivität pro Längeneinheit halb so groß wie die nach Gleichung (3). .

Wenn s genau gewählt ist, lagert sich ein Wirbel um das Zentrum einer Aussparrung 90. 2 und erstreckt sich auf beide Seiten davon. Der Suprastrom-Fluß I des Wirbels ist innerhalb eines Faktors von etwa . 2 gleich J s (die Näherung ergibt sich, weil ^(x, y) von der Lage in der Aussparrung abhängt, so daß in der gesamten Aussparrung sin j6 f 1 ist).

Darüber hinaus zirkulieren die Supraströme im Mittel um eine Schleife von etwa der Länge s, die ihr Zentrum in einer Aussparrung hat, so daß die Schleifeninduktivität näherungsweise u (2\ + d)s/w ist.

U Lj

Da Gleichung (2) vorschreibt, daß LI = (ß ist, ergibt sich s in einer ersten Näherung durch

Daß die Wirbel in den Aussparruiipcn zusitzen bevorzugen, die Punkte

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einer hohen Selbstinduktivität pro Längeneinheit sind, kann man durch Bezugnahme auf den E -Ausdruck der Gleichung (1) verstehen. Das heißt spezieller ausgedrückt, das Magnetfeld des Wirbels, das in der Hauptsache auf eine Aussparrung konzentriert ist, hat einen Wert B = μ I/w. Dabei ist μ die Permeabilität des freien Raumes, I der mit ^ro ' ο

dem Wirbel verknüpfte Suprastrom und w die Breite der Vorrichtung in einer Aussparrung. Da w in einer Aussparrung kleiner ist, ist B

größer. Dadurch wird nachteilhafterweise der Wert von B in dem Ausdruck E vergrößert. Die räumliche Ausdehnung des Wirbels ist jedoch in der x-Richtung in einer Aussparrung kleiner, was den größe-

2
ren B -Anteil mehr als kompensiert. Eine andere Betrachtungsweise dieses Prinzips liegt in der Erkenntnis, daß die magnetische Energie E näherungsweise gleich 0 I ist. Ih den Aussparrungen herscht eine höhere Selbstinduktivität, so daß der zum Erhalt von (ß benötigte Strom I kleiner ist.

Beispiel

Ein zweischleiiiges, Dreifach-Übergangs-Schieberegister 100, wie es in Fig. 1OA gezeigt ist, ist erfolgreich aufgebaut worden und arbeitet wie folgt.

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Auf ein rechteckiges Glassubstrat 102 wurde eine rechteckige Sn-Schicht 104 aufgedampft,, die den Mittelteil des Substrates füllt, um, als eine supraleitende Grundebene zu dienen. Das Sn und das Glas wurden daraxxf mit einer aufgedampften Germaniums cliielit (nicht gezeigt) bedeckt, um die Grundebene elektrisch zu isolieren. Die Zone der Gründebene bildet die Oberfläche, auf welche die dünnen Schichten aufgedampft wurden, die das wirkliche Schieberegister bilden.

Als nächstes wurde auf der Grundebene 104 eine Sn-Schicht 106 aufgedampft mit einem langgezogenen Mittelteil 106a, 3 durch gleichen Abstand (von etwa 3mm) voneinander getrennte Anhängsel 1OG. (b-d).auf dei sen einer Seite, und 5 Anhängsel 106 (e-i) auf dessen anderer Seite, Darauf 'wurde tiie Oberfläche-.der Sn-Schicht 106 in einer Sauerstoff τ Glimmentladung oxidiert. Anschließend wurden Sn-Streifenl07, 108 ., und 109 so aufgedampft, daß Streifen 108 die Teile 106e,106i, Streifen "109 die Teile 106h und K)Gi, und Streifen 107 die Teile 106b, K)Gc ; und K)Gd koppelt. Somit wurden Josephson-Übergänge an den Überlappungszonen zwischen der Schicht.106 und den Streifen 1.(17,K)U und 109 gebildet. Die--Konfiguration der Übergänge und der Schleifen 113 .- und 114 erfüllte die Gleichung (2). In einem letzten Aufdampfvorgang. wurden Silber-Nebenschlüsse 110, 111 und !^niedergeschlagen, die parallel y,u jedem dor Übergänge waren.

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BAD ORIGINAL

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In Fig. 1OB ist das Muster der Schichten 106 bis 109 der Fig. 1OA schematisch dargestellt, die Kreise "Ej F und G bezeichnen die drei Übergänge^ die zusammen mit den beiden breiten rechten Schleifen 113 und 114 ein zweistufiges Schieberegister bilden (wobei die in Fig. gezeigte Vorrichtungsart verwendet wurde). Die anderen, durch A, D, K und L gekennzeichneten Übergänge bilden zwei getrennte Doppelübergangs -Interferometer (Magnetometer), die zur Überwachung des in den Schleifen 113 und 114 des Schieberegisters erhaltenen magnetischen Flusses verwendet wurden. Das heißt, das Übergangspaar A-D büdet ein Magnetometer zum Überwachen der Schleife 113, und das Übergangspaar K-L bildet ein Magnetometer zum Überwachen der Schleife 114. Die beiden Magnetometer-Schleifen sind durch 115 und 116 gekennzeichnet. An den verschieden bezifferten Punkten 1 bis 10 wurden Stromzuführungen befestigt.

In dieser Vorrichtung hatten die Sn-Schichten eine Dicke in der Größenordnung von 1000 A, und die Ge-Schicht war etwa 10000 A dick. Die Grundebene maß etwa lern mal l/2cm, und die oberen Schichten 106-109 waren etwa 0, 2mm breit und einige mm lang. Die Abmessungen der verschiedenen Schleifen lagen bei etwa l-3mm mal l-3mm.

Die gesamte Vorrichtung wurde in flüssigem He auf eine Tempera-

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tür unterhalb des supraleitenden Übergangs von Sn gekühlt. Sie wurde vom Erdmagnetfeld durch bekanntes-Mu-Metall abgeschirmt. Sn wurde deshalb gewählt, weil dessen Oxidation relativ leicht ist. Praktisch können Pb, Nb oder Ta ebenso verwendet werden, die bei 4, 2 K supraleitend sind.

Die I-V-Kurven der beiden Magnetometer wurden auf einem Oszilloskop abgebildet, in dem Strom zugeführt und eine Spannung gemessen wurde zwischen Zuführungen 7 und 8 und Zuführungen 9 und 10 für die Magnetometer A-D beziehungsweise K-L. Die kritischen Supraströme dieser Magnetometer hängen von dem die Schleifen 115 und 116 verbindenden Magnetfeld ab. Da irgendein zum Beispiel in der Registerschleife 113 aufrechterhaltener Fluß einen Stromfluß rund um diese Schleife benötigt, und besonders durch den Teil BC, stellt irgendein Fluß dieser Schleife auch eine Verbindung zu der A-D-Magnetometerschleife 115 her. So wird der kritische Suprastrom des Magnetometers A-D durch irgendeinen in der Register schleife 113 vorhandenen Fluß beeinflußt, und man kann sowohl Änderungen in diesem Fluß als auch Änderungen in dem kritischen Suprastrom des Magnetometers beobachten.

In der aufgebauten Vorrichtung betrug die Selbstinduktivität einer jeden

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Register schleife 113 und 114 etwa 2x10 H, und die einer jeden Magnetometerschleife 115 und 116 war etwa 4 χ 10 H, die kritischen Supraströme der Magnetometer lagen bei etwa 50μΑ und hingen von der Temperatur und anderen Faktoren ab. Die Kopplung zwischen den Magnetometerschleifen und den Registerschleifen war etwa o, 2, d.h. 1/5 des in einer Registerschleife eingefangenen Flusses verkettete eine Magnetomete rs chleife.

Der kritische Strom eines jeden Registerübergangs E, F unf G lag je nach Betriebsbedingung etwa im Bereich von lOOjiA-öOOjiA,,

Im Betrieb, während dessen beide Magnetometer-1-V-Kurven auf einem Oszilloskop dargestellt wurden, so daß deren kritische Ströme beobachtet werden konnten, wurde ein Strom durch die Zuführungen 1-2 geschickt, der bei 0 begann und zunehmend anwuchs. Bei einem Strom, der typischerweise in der Größenornung von 100uA-200jiA lag, wurde eine plötzliche Änderung im kritischen Strom des Magnetometers A-D bemerkt. Es wurde keine entsprechende Änderung im kritischen Strom des Magnetometers 116 beobachtet. Daraus wurde geschlossen, daß ein Flußquant (d.h. ein Wirbel) in die Registerschleife 113 eingetreten ist.

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Eine anschließende Verringerung des Stromes in den Zuführungen 1-2 bis auf 0 brachte keine Änderung hervor. Das Flußquant blieb in der Register schleife 113. Das Zuführen eines negativen Stromes ausreichender Größe, wieder etwa 10Ou Ä, zu den Zuführungen 1-2 bewirkte jedoch das Auslöschen des Fluß quants in der R egisterschleife 113.. Ein noch größerer negativer Strom brachte ein IFlußquant entgegengesetzten Vorzeichens in die Schleife 113. (es sei auf folgendes.Mngewiesen: wenn ein im Uhrzeigersinn gerichteter Strom erzeugt werden kann, der ein positives Flußquant gibt, erzeugt der gleich ;große, im .Gegenuhrzeigersinn gerichtete Strom einjiegativ.es Fliißqüant.}.

Ließ man gleiche Ströme in die Zuleitung 5 und aus der Zuleitung 6 fließen, erhielt man analoge Ergebnisse. D.h. ein Flußquant trat in die Registerschleife 114, aber nicht in die Register schleife 113 ein.

Wurde den Zuführungen 3-4 ein Strom zugeführt, wurde ein unterschiedliches Ergebnis beobachtet, nähmlich, daß eingenügend.großer Strom einen Fluß plötzlich in beiden Schleifen 113 und 114 erscheinen ließ. D.h. ein positiver Fluß wurde in der oberen Schleife 113 und ein negativer Fluß wurde in der Schleife 114 plaziert. Wenn in der Schleife 114 ursprünglich ein positives Flußquant vorhanden gewesen wäre, hätte es das negative Flußquant ausgelöscht, das sich durch

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Stromzuführung zu den Zuführungen 3-4 ergeben hat. Demzufolge bewirkt das Zuführen von Strom zu den Zuführungen 3-4 effektiv die Übertragung eines Flußquants von der Schleife 113 zu der Schleife 114. Somit wurde ein zweistufiges Schieberegister demonstriert.

Wenn kritische Ströme der Registerübergänge alle gleich sind und alle genau gewählt sind, können die Schleifen im Prinzip nur eins, null oder minus ein Flußquant halten. Das Zuführen größerer Ströme ' zu den Zuleitungen 1-2, als sie für die Erzeugung eines Flußquants benötigt wurden, hätte die Wirkung, daß ein Fluß in die nächste Schleife getrieben würde (durch "Weitergeben"). Beispielsweise wird ein Flußquant von einer Registerschleife zu einer anderen in einer Zeit übertragen, die der umgekehrten Josephson-Plasmafrequenz entspricht, d.h. etwa 10 Picosekunden.

Es soll nun der Zweck der Silbernebenschlüsse 110, 111 und 112 diskutiert werden. Wenn Strom zum Beispiel den Zu leitungen 1-2 zugeführt wird, wird in dem Moment, wenn der Fluß in die Registerschleife 113 eintritt, ein Spannungsimpuls über den Übergang E gebildet (dies ist der Mechanismus, der Ströme um die Schleife fließen läßt). Durch das Vorhandensein des Impulses zur seihen Zeit, zu der der Strom den Zuleitungen 1-2 zugeführt wird, wird Energie

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an die Schaltung gegeben (SVidt), die teilweise die 1/2 LI -Magnetenergie zum Erzeugen eines rund um die Schleife 113 fließenden Stromes und teilweise eine Ladung der Übergangskapazität ist. Diese letztere Ladung verursacht LC-Schwingungen, die zur Wirkung haben könne, daß einem zweiten Flußquant das Eintreten in die Schleife erlaubt wird, oder daß der Fluß in die angrenzende Schleife 114 übertragen wird. Die Nebenschlüsse sollen diese Schwingungen dämpfen (durch Erzeugung eines kleinen Widerstandes parallel zur Übergangskapazität).

Selbstverständlich sind die oben beschriebenen Vorrichtungen lediglich als Beispiele der vielfach möglichen speziellen Ausführungsformen gedacht, die zur Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien konstruiert werden können. Es können von Fachleuten im Rahmen dieser Prinzipien zahlreiche und abgewandelte andere Anordnungen konstruiert werden, ohne daß von der Idee und dem Rahmen der Erfindung abgewichen wird. D.h. insbesondere, wenn sich auch die vorausgehenden Ausführungsformen speziell auf die Eindimensionale-Übertragung von Wirbeln bezögen, ist es möglich, solche Wirbel in mehr als einer Dimension zu bewegen, d.h. in zwei Dimensionen in einer Ebene.

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Claims (13)

22U0H PATENTANSPRÜCHE

1.) Suprastrom-Anordnung zum Aufrechterhalten eines Supra-

strom-Wirbels, mit einer ersten Schicht aus nicht-supraleitendem Material, die genügend dünn zum Hindurchtunneln eines Suprastroms ist, zwischen zwei Schichten aus supraleitendem Material, dadurch gekennzeichnet,

daß in den drei Schichten eine Vielzahl Zonen vorgesehen ist, die jeweils beim Vorhandensein eines zirkulierenden Suprastromes ein lokales Energieminimum aufweisen, um eine Vielzahl bevorzugter Stellen (22, 24, 60, 66, 68, 96) zum Aufrechterhalten von Suprastrom-Wirbeln (J(x)) zu bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

entsprechende Punkte benachbarter bevorzugter Stelle einen Abstand S von einander aufweisender näherungsweise die Beziehung LI = 0 erfüllt, wobei L die Selbstinduktivität einer Suprastrom-Wirbelzone, I der kritische Gesamtstrom einer Zone mit einer Länge S und (p ein einzelnes Magnetflußquant ist.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte bevorzugte Stellen einen Abstand voneinander aufweisen, der näherungsweise der doppelten Josephson-Eandringtiefeλ gleich ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet., daß eine bevorzugte Stelle durch eine Aus spar rung (22, 24) in der nicht-supraleitenden Schicht (12) gebildet ist, um dort das Hindurchfließen von Suprastrom zu verhindern.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bevorzugte Stelle durch eine Zone vergrößerter Dicke (60) in der nicht-supraleitenden Schicht (12) gebildet ist, um dort das Hindurchfließen von Suprastrom zu verhindern.

.6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bevorzugte Stelle durch.Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes (B , 70, 72) im wesentlichen in der Ebene der nicht-supraleitenden Schicht (12, 69) gebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bevorzugte Stelle durch einen Stromfluß inner-

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halb der Anordnung gebildet ist, der von einer äußeren Quelle (80, 82) zugeführt wird.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bevorzugte Stelle durch eine seitliche Abmessungsänderung (90. 1, 90. 2) in der Anordnung gebildet ist, um eine veränderliche Induktivität pro Längeneinheit längs der Anordnung mit einem darin befindlichen lokalen Minimum (w, 96.1) zu erzeugen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Suprastrom-Wirbel durch Anlegen eines elektromagnetischen Steuerfeldes von einer bevorzugten Stelle zu einer anderen übertragen wird.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Suprastrom-Wirbels durch Anlegen eines äußeren magnetischen Steuerfeldes (M1-M3) gesteuert wird.

v-

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

die Übertragung des Suprastrom-Wirbels durch Zuführen eines äußeren Steuerstroms (74, 94) an eine supraleitende Schicht (63, 52, 54, 89, 93.1) gesteuert wird.

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12. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung eines,, Suprastrom-Wirbels durch das Magnetfeld eines benachbarten wandernden Suprastrom-Wirbels gesteuert wird.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein widerstandsbeKafteter Nebenschluß (110, 111, 112) vorgesehen ist, der zur Unterdrückung von Schwingungen in der Anordnung parallel zu einem Josephson-Übergang geschaltet ist.

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