DE2343441A1 - Supraleitende speicherzelle und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

Description

Böblingen, 16. August 1973 te-fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: SZ 972 OO3

Supraleitende Speicherzelle und Verfahren zu deren Betrieb

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Speicherzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb solcher Zellen und einen Matrixspeicher, in dem solche Zellen verwendet werden.

In der Speicherzelle finden sogenannte Josephson-Elemente Anwendung, in denen ein Josephson-Tunnelstrom fliessen kann. Die grundsätzliche theoretische Erklärung des Josephson-Effekts, auf dem diese Elemente basieren, ist in einem Artikel "Possible New Effect in"Superconductive Tunneling" enthalten, der von B. D. Josephson in "Physics Letters" im Juli 1962 auf den Seiten 251-253 publiziert wurde. Seither

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9.

sind zahlreiche Veröffentlichungen erschienen, in denen Josephson-Elemente beschrieben und Vorschläge für deren Anwendung gegeben werden. Nur auf die der vorliegenden Erfindung nächstliegenden Veröffentlichungen wird hier im folgenden Bezug genommen.

Besonders wird auf das USA-Patent 3,626,391, Erfinder Anacker et al, hingewiesen, in dem eine Speicheranordnung beschrieben wird, die aus einer Mehrzahl von Speicherzellen besteht, von denen jede zwei Josephson-Elemente aufweist. Der Status einer jeden Speicherzelle ist hierbei durch die Richtung des in der Zelle umlaufenden Ringstromes bestimmt. Die verwendeten Zellen sind relativ gross, d.h. die beiden stabilen Zustände sind durch einen relativ hohen, die Zelle durchdringenden magnetischen Fluss gekennzeichnet, der in der Grössenorclnung von einigen hundert Flussquanten β liegt.

Wenn man supraleitende Ringzellen als leistungsfähige Elemente in einem Hochgeschwindigkeitsspeicher verwenden will, ist es notwendig, den Speicher derart auszulegen, dass die Binärwerte "1" und "0" Zuständen der Ringzellen entsprechen, in denen nur ein einziges Flussquantum eingefangen ist. Eine solche Speicherzelle ist bereits durch D. E. McCumber in einem Artikel "Tunneling and Weak Link Superconductor Phenomena having Potential Device Applications" beschrieben worden, der im Journal of Applied Physics, Vol. 39, No. 6, im Mai 1968 auf den Seiten 2503 ff. erschienen ist.

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Im IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 14, No. 4, September 1971, S. 1345 wurde eine Speicheranordnung beschrieben, die solche Speicherzellen verwendet; in diesem Speicher werden die Zellen bei Koinzidenz zweier Ströme umgeschaltet, die zwei mit der Zelle magnetisch gekoppelten Stromleitungen zugeführt werden. Die Arbeitsweise beruht auf der Tatsache, dass der induzierte Ringstrom in der Zelle ein Magnetfeld erzeugt, das das Durchdringen der Zelle durch die von aussen angelegten Flusslinien zunächst verhindert. Sobald der maximal mögliche Josephson-Strom erreicht ist, dringt ein magnetisches Flussquantura in die Zelle ein. Obgleich ein solcher Speicher bereits wesentliche Vorteile gegenüber bisher bekannten Speieheranordnungen aufweist, stellt er jedoch noch nicht die Optimallösung bezüglich hoher Operationsgeschwindigkeit, Einfachheit der Herstellung und der Packungsdichte dar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine aus einem supraleitenden Ring mit wenigstens einem Josephson-Element bestehende Speicherzelle anzugeben, deren Umschaltpunkt durch eine von außen erfolgende Steuerung beeinflusst wird, z.B. durch ein an das Josephson-Element angelegtes magnetisches Kontrollfeld, und die die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Die Lösung der angegebenen Aufgabenstellung erfolgt nach den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen;

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Die durch die vorgeschlagene Lösung erzielten Vorteile lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

- extrem kleine Umschaltzeiten der Speicherzelle (als Folge des geringen umzuschaltenden Stromes; das Schalten erfolgt hier nicht durch eine Erhöhung des Ringstromes, sondern durch eine Herabsetzung des maximalen Josephsonstromes);

- sehr kleine Verlustleistung beim Umschalten (im Ruhezustand der Zelle ist diese ohnedies gleich null);

- relativ einfache und preiswerte Herstellung mit bekannten Methoden der Dünnschichttechnik;

- kein Einhalten extremer Toleranzen infolge der geringen Empfindlichkeit der Einzelzelle gegen Abweichungen der Parameter vom Sollwert;

und schließlich, mit all diesen Punkten zusammenhängend,

die Möglichkeit, sehr schnelle, sehr große und preisv/erte Speicher mit hoher Packungsdichte unter Anwendung der Strom-Koinzidenz-Adressierung herzustellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ringzelle,

die eine Bitsteuerleitung zur Erzeugung eines magnetischen Steuerfelds aufweist; 409815/0708

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Fig. 2Λ ein Diagramm, das die Wertstromverteilung innerhalb . der Zelle nach Fig. 1 als Funktion der Phasendifferenz ψ darstellt, wobei Strom und Phasenwerte mit Bezug auf den maximalen Josephson-Strom i bzw. auf ein Flussquantum 0

mo —ο

nox'inalisiert sind ;
Fig. 2B die gleichen Kurven wie Fig. 2A ; zusätzlich ist das

Verhalten der Zelle während des Schaltvorganges angedeutet ; Fig. 3 eine Speicherzelle gemäss der Erfindung ;

Fig. 4 eine berechnete i -I -Charakteristik bzw. das-Steuergate -

Diagramm des in der Zelle nach Fig. 3 verwendeten Josephson-Elements ;

und
Fig. 5 schematisch eine Speicheranordnung, in welcher Speicherzellen

nach Fig. 3 Verwendung, finden.

Beschreibung der Speicherzelle

Um das Verständnis der folgenden Beschreibung der Speicherzelle zu erleichtern, wird zunächst eine kurze Einführung in die wesentlichen Eigenschaften der verwendeten Josephson-Elemente gegeben, wobei gleichzeitig eine Einführung der verschiedenen verwendeten Symbole gegeben wird.

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Obgleich Josephson-Elemente (oder "weak links'zwi.seheri zwei Supraleitern) strukturell sehr unterschiedlich aufgebaut sein können, wird bei der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Speicherzelle auf ein Josephson-Element Bezug genommen, das aus zwei supraleitenden Elektroden besteht, die durch eine dünne Isolierhaut getrennt sind. Der Strom in einem solchen Element ist durch folgende Gleichung gegeben :

i = i ' sin ψ (1)

J mo /

mit : i = Josephson-Strom
«J

i = maximaler Josephson-Strom ohne angelegtes Magnetfeld ψ = Elektronenpaar-Phasendifferenz zwischen den beiden supraleitenden Elektroden.

Wenn ein Josephson-Element von einem Strom durchflossen wird, der den Wert des maximalen Josephs on- Stroms i überschreitet, so schaltet das Element von einem Zustand, bei dem der Spannungsabfall gleich Null ist, in einen anderen Zustand um, der durch einen merklichen Spannungsabfall über dem Isolierkontakt gekennzeichnet ist.

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Der Wert des maximalen .Tosephson-Stroins i wird diu'ch ein

von aussen an das Josephson-Element und parallel zur Isolierschicht angelegtes magnetisches Steuerfeld beeinflusst : innerhalb eines gewissen Bereiches der Grosse des Magnetfeldes wird der Wert des maximal möglichen Josephson-Stroms i mit steigenden Magnetfeldern verringert.

Jetzt wird Bezug genommen auf Fig. 1, in der ein Ausführungsbeispiel der Speicherzelle nach der Erfindung schematisch dargestellt ist. Die Speicherzelle, die lediglich ein Josephson-Element aufweist, ist mit der Bezugszahl IO gekennzeichnet. Die Zelle weist die beiden Zweige

11 und 12 auf, die einen Ring bilden. Zweig 11 besteht im wesentlichen aus einem Josephson-Element 13, das mit einer Leitung 16 gekoppelt, ist. Diese ist vorgesehen, um ein magnetisches Steuerfeld an das Element anzulegen, das durch einen in der Leitung 16 fliessenden Strom I erzeugt wird. Zweig 11 ist so ausgebildet, dass er nur" eine geringe Induktivität aufweist, während Zweig 12 den überwiegenden Teil zur gesamten Ringinduktivität beisteuert. Zur Vereinfachung wird im weiteren angenommen, dass die gesamte Ringinduktivität Lim Zweig 12 konzentriert ist, eine Annahme, die sich für die Praxis als genügend genau erwiesen hat. Anschlussleitung en 14 und 15 gestatten die Zuführung eines Wortstromes

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Dei¹ Strom i im Zweig 11 ist gegeben durch Gleichung (1) :

i _ = i ■ sin Φ
Jm Γ

wobei i , das eine Funktion von I ist, für den Wert I=O gleich i

m c c mo

Die Gleichung für den Strom i im Zweig 12 ist von den folgenden
Beziehungen abzuleiten :

ί = L - i_L (2)

f = 2T- JIf₀ (3)

R = ²^^L · ¹HiO (4)

mit L = Ringinduktivität

$ =■ magnetischer Fluss im Ring
JT = h/2e = elementares Flussquantum = 2, 07 · 10 Vs

Aus (2), (3) und (4) erhält man :

i_T = -£- · i (5)

L /t mo

Der Wortstrom I entspricht der Summe der beiden Zweigströme

¹W - ¹J ^{+ 1}L ■ ⁽⁶⁾

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Unter Anwendung der Gleichungen (1) und (5) und nach Normalisierung der Ströme mit Bezug auf den maximalen Josephs on-St rom i

^{b l} . mo

erhält man :

I /i = (¹In/! )· sinyi»+ ffa (7)'

w' mo ' mo γ ι ifL

Die Auflösung der Gleichung (7) für einen gegebenen Wert Ä = 97Γ/2 ist graphisch in Fig. 2A gegeben, wo I Ji über ψ= 2*«*· -*L- aufgetragen ist.

ο Die mit A bezeichnete gerade Linie entspricht dem normalisierten Strom

i' (der Strich ist angefügt, um anzudeuten, dass der Strom normalisiert JL·

wurde), der durch den induktiven Zweig 12 fliesst. Die Steigung dieser Geraden ist bestimmt durch l/Ä. , d.h. sie ist proportional l/L., wobei L die gesamte Ringinduktivität darstellt. Die Sinuskurve für den normalisierten Strom i¹ für I=O ist der Geraden A überlagert. Die resultierende

ei C

Kurve B entspricht dem Gesamtstrom 1 . Somit zeigt die Kurve B für jeden Wert der Phasendifferenz Φ die Stromverteilung in der Ringzelle. In Fig. 2A ist dieses illustriert für zwei Werte von ψ . Bei ψ - 5 " /2 fliessen beide Zweigströme in der gleichen Richtung, wie dieses durch die beiden aufwärts gerichteten und mit i' und i'_T markierten Pfeile ange-

X-I J

geben ist. Bei ψ = 7 W /2 ist gezeigt, dass der Strom i^f seine Richtung geändert hat, woraus ein negativer Wert des Stromes I resultiert.

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Wenn man bei Punkt S beginnend den Wortstrom I vom Wert Null

^h w

in Richtung positiver Werte erhöht, so entspricht dies einem Folgen der Kurve B von Punkt S bis zum Punkt a. An diesem Punkt ist der

maximale Josephson-Strom i im Zweig 11 bei der Phasendifferenz ^ mo ^fa

α:Τ /2 erreicht. Das Josephson-Element wird in seinen Spannungszustand geschaltet, was in einer sehr schnellen Aenderung der Stromverteilung innerhalb des Ringes resultiert. Im Diagramm der Fig. 2A ist dies reflektiert in dem Sprung von Punkt a zu b. Dieser Sprung seinerseits entspricht einem Phasensprung &Φ von ungefähr 2*5" (genau 2iTfür L = co ), d.h. der den Ring durchdringende Fluss ist um den Weil £ κ= ji erhöht worden. Abhängig vom Maximalwert,auf den der Strom I erhöht wird, wird der Kurve B weiter gefolgt von b nach c, wo ein weiterer Sprung, der wiederum in etwa einem Flussquantum J entspricht, erfolgen wird. Es wird jedoch angenommen, dass der maximal angelegte Strom I einem Punkt entspricht, der auf der Kurve B zwischen b und c liegt. Unter diesen Umständen wird nach Abschalten des Stroms I der Punkt E erreicht. E ist somit ein stabiler Zustand der Zelle, bei dem ein Ringstrom fliesst, dessen Richtung durch die Zweigströme bestimmt ist, die der Phasendifferenz ψ des Zustandes E entsprechen. Es ist offen sichtlich, dass E¹ ein weiterer stabiler Zustand der Zelle ist, der durch Anlegen eines Wortstroms I erreicht werden kann, der grosser ist al^ der Wert des Stroms, der dem Punkt c auf der Kurve B entspricht.

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Grundsätzlich gibt es für positive Wcvte vuti ψ soviele stabile Zustand.spunkte wie es Sinushalbwellen der Kurve B gibt, welche die </*-Achse kreuzen. Für einen vorgegebenen Wert von i hängt die Anzahl der Sinushalbwellen, die die v0-Achse schneiden, von der Ringinduktivität L· ab. Hohe Ringinduktivitäten bewirken eine hohe Anzahl von Schnittpunkten und damit stabilen Zuständen. Wenn L hingegen zu niedrig ist, schneidet die Kurve B die y>-Achse überhaupt nicht, d.h. der Punkt S stellt den einzigen stabilen Zustand der Zelle dar, wodurch diese für Speicheranwendungen ungeeignet ist. Die stabilen Zustände E, E¹, usw. , unterscheiden sich in etwa jeweils durch ein den Ring durchdringendes Flussquantum, d.h. jT to JT für E, jfsi2 § für E¹, usw.

Die gleichen Betrachtungen gelten für negative Werte von ψ , d. h. weitere stabile Zustandspunkte F, F¹, usw. bestehen, welche sich von den Punkten E dadurch unterscheiden, dass der Ringstrom in ihnen in der entgegengesetzten Richtung fliesst.

Das Diagramm der Fig. 2A zeigt klar die Anwendungsmöglichkeit einer solchen Zelle in einem Speicher, in welchem die Binärwerte ¹⁵I" und ¹¹O" durch eine Stfomumlaufrichtung im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn dargestellt werden können. Da die Anforderungen bezüglich hoher Operationsgeschwindigkeit und geringer Vei\Lustleistung für eine Arbeitsweise sprechen, bei welcher lediglich ein einziges Flussquantum § im.

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Ar

Ring gefangen ist, sind die Zustände E und F die bevorzugten Arbeitspunkte. Es ergibt sich ausserdem, dass das Schalten zwischen diesen Zuständen auch die niedrigsten Schaltströme erforder-t.

Bisher wurde der Einfluss eines durch einen der Steuerleitung zugeführten Strom I an das Josephson-Element angelegten Feldes nicht berücksichtigt. Es wurde bisher nur gezeigt, dass durch Anlegen von Wortströmen geeigneter Grosse und Polarität ein Umschalten der Zellen zwischen den verschiedenen stabilen Zuständen, insbesondere zwischen S, E und F, erreicht werden kann. Für Anwendungen in Speichern, die aus einer Vielzahl von Zellen bestehen, die in Spalt en und Reihen einer Matrix angeordnet sind, wird die Auswahl einer bestimmten Zelle normalerweise mit Hilfe einer Stromkoinzidenzmethode vorgenommen. In einer Speicheranordnung, die aus den hier beschriebenen Zellen besteht, kann dies erzielt werden durch gleichzeitiges Anlegen eines Halb-Selektions-Wortstroms I

und eines Halb-Selektions-Steuerstroms I an die Zelle, die für

eine Schreiboperation vorgesehen ist.

Das Anlegen eines magnetischen Feldes an einen Josephs on-Kontakt reduziert den Wert des maximalen Josephson-Stroms von i auf einen

rao

Wert i . Bei einem hinreichend grossen magnetischen Feld wiixl i m t? b . m

sogar zu 3Iuil. Der Einfluss auf das Verhalten der Speicherzelle wird

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anhand der Fig. 2B beschrieben werden, \velche im wesentlichen das gleiche Diagramm zeigt wie die Fig. 2A. Die Kurve B zeigt die

Verteilung des Ringstroms für I = 0, d. h. i - i , während die ^{6 ö} c m mo

zusätzliche gestrichelte Kurve C einer Situation I / 0 und 0<i < i

c ' m mo

entspricht, d.h. der Strom i ist durch das magnetische Kontrollfeld beeinflusst. Von der Kurve C ist es offensichtlich, dass das Schalten der Zelle von beispielsweise dem Zustand S zum Zustand E mit Hilfe eines Wortstroms I _r erreicht werden kann, der kleiner ist als der, der dem Punkt a auf Kurve B entspricht, jedoch grosser sein muss als der Stromwert, der dem Punkt a¹ auf der Kurve C entspricht. Dies gilt unter der Bedingung, dass der Steuerstrom I gleichzeitig mit dem Wortstrom I angelegt wird, wodurch der erforderliche Strom von einem dem Punkt a entsprechenden Wert auf einen kleineren, dem Punkt a¹ entsprechenden Wert reduziert wird, da i auf den kleineren Wert i

^ mo m

herabgesetzt ist. Auf diese Weise kann die Stromkoinzidenzmethode für die beschriebene Speicherzelle-angewendet werden.

Für eine Anwendung der anhand der Figuren 1 und 2A/B beschriebenen Speicherzelle in einer Speicheranordnung niüssen eine Reihe von Bedingungen eingehalten werden, die im folgenden entwickelt werden. Es wird angenommen dass, wie in Fig. 5 gezeigt, die Zellen 10, die eine Speichermatrix bilden, in Spalten und Reihen angeordnet sind. Alle Zellen einer gegebenen Spalte

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Bind hintereinander an eine zugehörige WortJeitung (Strom I ) geschaltet, während alle Zellen einer gegebenen Reihe mit einer Bit-Kontrolleitung (Strom I ) gekoppelt sind, die dieser Reihe zugeordnet ist. Aus der Forderung, dass nur die Zelle am Kreuzungspunkt der mit einem Strom beaufschlagten Wort- und Bitleitungen ausgewählt werden und ihren Zustand ändern darf, können die nachfolgenden Bedingungen unter Zuhilfenahme von Fig. 2B abgeleitet werden.

_A_. Bitstrom-Bedingung

Der Bitstrom I darf die Amplitude nicht überschreiten, die bewirken

würde, dass i auf einen Wert i reduziert wird, der kleiner ist mo m

als der von ii bei ψ - 3 Ύ /2. Andernfalls würden alle an diese Bitleitung gekoppelten Zellen, die sich im Zustand E befinden, in den Zustand S umgeschaltet werden. Die erste Bedingung lautet daher :

i λ >.|r. ι (β)

nr mo 2 /I

B. Wortstrom-Bedingung

Die Amplitude des Wortstroms I darf den Wert nicht überschreiten, der der Kurve B bei \ß - -3/1 /2 entspricht. Andernfalls würden alle an diese Wortleitung angeschlossenen Zellen, die sich im Zustand F befinden, in den Zustand S umgeschaltet werden. Die zweite Bedingung lautot daher :

w' mo 2 ^L

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/Γ

C. Einschreib-Bedingung

Eine Schreiboperation erfordert das Umschalten von E nach F bzw. unigekehrt. Um ein solches Schalten zu erreichen, müssen die gleichzeitig angelegten Kit- und Wortströme geeignete Amplituden aufweisen, sodass der angelegte Wortstrom I für ψ - I/ /2 grosser ist als der Stromwert, der dem Punkt a¹ der Kurve C entspricht, wobei diese Kurve das Verhalten der unter dem Einfluss des durch den Strom I erzeugten Magnetfeldes stehenden Zelle charakterisiert. Andernfalls würde die ausgewählte Zelle, die am Kreuzungspunkt der entsprechenden Wort- und Bitleitungen liegt, nicht vom Zustand S oder F in den Zustand E umschalten. Die dritte Bedingung lautet daher :

I /i > (i /i +-TK~ ) (10)

w' mo m' mo 2/1

Wenn die Kriterien, die in den Gleichungen (8) bis (10) ausgedrückt sind, erfüllt werden, ist es möglich, Binärwerte in jede beliebige Zelle einer Speichermatrix einzuschreiben ohne dabei die anderen Zellen zu beeinträchtigen, wenn die Koinzidenzmethode der Wort- und Bitströme verwendet wird. Aus den Gleichungen (8) bis (10) lässt sich die folgende Bedingung für Λ ableiten :

λ > 17

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2343Ut

Λ = 7 Jl /2 würde in der Fig. 2E eiiu-r Kurve JJ entsprechen, bei der die zweite negative Ilalbwelle der Kurve die ψ -Achse bei ψ ~ 7 /I /2 berührt. Um beherrschbare Strom- und Speicherzellenparameter zu erhalten, sollte ein grösserer /L -Wert gewählt werden. Auf der andern Seite bedingen schnelle Schaltoperationen, dass die beiden stabilen Zustände, die die binären Werte "l" und "θ" repräsentieren, durch ein einziges gefangenes Flussquantum charakterisiert sind, d. h. die stabilen Zustände E und F sind zu benutzen und nicht die Zustände E¹, F¹, usw. Es ist daher vorteilhaft, eine geringe Ringinduktivität zu haben, die in einer" steilen Kurve A= ψ / A. i'esultiert und somit eine sichere Arbeitsweise mit nur einem Flussquantum ermöglicht. Grössere Ringinduktivitäten entsprechen grösseren Werten von /( und reduzieren die Steigung der Geraden A, ^vodurch die Anzahl der Schnittpunkte der Kurve B mit der ψ -Achse erhöht wird, d.h. die Toleranzen der Schreibströme \verden kritisch wenn man erreichen will, dass die erwünschten stabilen Zustände E und F erreicht werden und nicht einer der durch eine Mehrzahl von Flussquanten gekennzeichneten Zustände E¹, F¹, usw. , die lediglich eine geringere Schaltgeschwindigkeit ermöglichen würden.

Es hat sich herausgestellt, dass eine obere Grenze für /I von 11 H /2 noch schnelle Schaltgeschwindigkeiten bei unkritischen Toleranzen ermöglicht. Hieraus und aus der vorliergehend abgeleiteten Bedingung für den unteren Grenzwert von /I ergibt sich die folgende Gleichung :

f T < Λ < ±±T - dl)

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Eine weitere Forderung besteht ilfu-ip, dass die Zeile ausreichend gedämpft ist, um Schwingungen zu vermeiden. Dies ist gegeben, sobald der Dämpfungsfaktor 77 die folgende Bedingung erfüllt :

mit : C = Kapazität des Josephson-Kontakts R= Widerstand des Josephson-Kontakts bei grossen Spannungen

In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der ixi Fig. 1 schematisch gezeigten Zelle dargestellt, deren Arbeitsweise bereits mit Hilfe der Figuren 2A und 2B beschrieben wurde. Die linke Zeichnung A stellt eine Draufsicht der Speicherzelle 10 dar. In dieser Zeichnung ist die supraleitende Grundebene, auf der die verschiedenen dünnen Schichten, aus der die Speicherzelle gebildet wird. angeordnet sind, nicht gezeigt. Die rechte Zeichnung B zeigt einen Schnitt A-A¹ der Zelle.

Eine supraleitende Grundebene 30 der Stärke a, auf welcher eine Vielzahl von Zellen, die eine Speichermatrix bilden, aufgebracht werden kann, ist durch eine Isolationsschicht 31 bedeckt, deren Stärke mit b bezeichnet ist. Die Zelle selbst, die aus dem Ring, welcher durch die Zweige 11 und 12 gebildet wird_; und aus den Stromanschlussleitungen 14 und 15 besteht, wird durch die supraleitende Schicht 32 der Dicke c gebildet.. Im Zweig ist ein Josephson-Kontakt 13 vorgesehen^der, wie in der Zeichnung B

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gezeigt, durch die beiden supraleitenden EJektrodenschiehten 32a und 32b gebildet wird, die durch eine dünne (Stärke t) Oxydhaut getrennt sind. Der Hing ist bedeckt mit einer Isolierschicht. 34 der Stärke d, auf welcher die Bitleitung IG aufgebracht ist, die durch die Schicht 35 (Dicke e) gebildet ist.

Die kritischen Dimensionen der Zelle, welche zu bestimmen sind, sind die folgenden :

1 = Länge des Josephson-Kontakts

«J

1 = Länge des induktiven Zweiges 12

Λ.

w = Breite der den Ring bildenden Supraleitung

w = Breite des Josephson-Kontakts

a.b, c, d, e, t = Stärken der Schichten, aus denen die Zelle

gebildet wird.

Bestimmung der Schreibströme und der Speicherzellenparameter Für das in Fig. 3 gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel wurde entsprechend der Gleichung (11) der folgende /t -Wert gewählt :

/1 = f IT ' (13)

Die in den Figuren 2A und 2B gezeigten Kurven entsprechen diesem /Ί -Wert.

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#1

Mit dem Wert /(. = O Il /2 führen die verschiedenen oben abgeleiteten Gleichungen zu den folgenden Bedingungen :
Aus der Bitstrombedingung (8) :

i /i > 0.33 (14)

irr mo

Aus der Wortstrombedingung (9)

J /i < 0.67 (15)

w' mo

Aus der Schreibbedingung (10)

I /i > (i /i + 0.11) (16)

w' mo m' mo

Aus der Kombination der Gleichungen (15) und (16) erhält man :

i /i + 0. 11 < (I /i ) < 0. 67 (17)

m' mo w' mo

wobei i /i > 0. 33 entsprechend Gleichung (14).
nv mo ^L .

Für eine Zelle mit den folgenden Parametern des Josephson-Kontakts

Energielückenspannung = 2,5 mV
London-Eindringtiefe = 800 S
Stärke t der Oxydschicht = 20 S
Relative Dielektrizitätskonstante <£ ^ des Cxyds = 10

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Jo

erhält man eine Gleichung für die erforderliche Stromdichte j des Josephson-Stroms :

3 = 2.5 · 10⁴ . 2T · -5- (18)

Die in Fig. 3 gezeigte Zelle ist so aufgebaut, dass sie kritisch gedämpft ist, d.h. der Dämpfungsfaktor 77 ist gleich 1. Auch Werte von 77 > können gewählt werden, wodurch eine stärker gedämpfte und somit langsamere Zelle entsteht. Mit den Werten "71-1 und /C = 9 Λ /2 führt Gleichung (18) zum folgenden Wert der Stromdichte :

f-V)

' cm

Für eine Uebertragungsleitung, bei der die Breite w grosser ist als die Stärke der Isolationsschicht b, ist die induktivität pro Längeneinheit angenähert gegeben durch folgende Gleichung :

1 = _?_ . JL· (20)

CW O

mit Z = Wellenwiderstand des Vakuums
a

c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Die Gesamtinduktivität L einer Uebertragungsleitung der Länge s beträgt somit :

L- = is- · * . _{β (21)}

cw
ο

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Mit i Λ> j · w _T · 1 _T und unter Anwendung der Gleichungen (4) und

(21)	erhält man	■	C O	■h	Λ	W	1J	ί	cm J
	s =	2T	• Z a	jm WJ ·	b ·
	c ; O	ro	#2.5	• 10" Acm
Mit	2?·	Z a

j ; = 10⁴A/cm² (von (19))

und bei Wahl der folgenden Abmessungen

Wj = 2^

b = 0. l/i .

1 = 10/1

ergibt sich aus Gleichung (22) das Ergebnis s O; 5 λ \μ ]

Da ein 7[ -Wert von 9T"/2 gewählt wurde, ergibt sich s m 70 μ, Da alle Berechnungen auf der vereinfachenden Annahme beruhen, dass die Gesamtinduktivität des Rings im Zweig 12 konzentriert ist, ergibt sich für diesen eine erforderliche Länge von

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Mit den gewählten und berechnet ι. a Dimensionen der· Speicherzelle ergibt sich für die in Fig. 3 gezeigte Zelle eine erforderliche Flüche

2
■ von etwa 500 u .

Hieraus wird offensichtlich, dass die Abmessungen der Zelle extrem klein sind. Da auch die Verlustleistung sehr gering ist, ist somit eine hohe Packungsdichte der Speicherzellen in einer Speicheranordnung möglich.

Fig. 4 zeigt das Steuer-Diagramm i = f (I ) für angelegte Magnetfelder, das für einen auf einer supraleitenden Grundebene angeordneten Josephson Kontakt berechnet wurde, bei dem das Verhältnis 1 //[ ( /? _T = Josephson Eindringtiefe ) gleich 2. 5 ist, ein Wert, der der in Fig. 3 gezeigten Zelle entspricht, bei der 1 = 10 μ und /I = 4 i\. Die Gerade D ergibt für einen vorgegebenen Steuerstrom I den Wert des resultierenden maximalen Josephson-Stroms i an. Der maximale Josephson-Strom i für I =0

m mo c

beträgt 1.45 mA.

Da i /i gernäss Gleichung (14) > 0. 33 sein soll, wird der folgende Wert gewählt :

i /i = 0.4 (23)

m' mo

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Aiii i ^;: 1.-15 mA ergibt sich abs Gleichung (23) :

i = O. 58 mA (24)

Dieser Stromwert entspricht im Diagramm der Fig. 4 dem Punkt a_; und wenn man von diesem Punkt aus/gehend dem Weg a-b-c folgt erhält man den entsprechenden Steuerstrom

I = 1.3 mA (25)

Dieser Strom erzeugt ein magnetische« Steuerfeld, das einer Aenderung

des Wertes des maximalen Josephson-Stroms von i auf den geforderten

mo ^b

Wert i = 0. 58 mA entspricht.

m ^l

Gleichung (17) enthält die Bedingung für das Wortstromverhältiiis I Jx

Mit dem gewählten Wert von i /i =0.4 ergibt sich daraus die ^& in' mo ^

Gleichung

0. 5 < I /i < 0. 67
w' mo

und mit i = 1. 45 mA
mo

0.74-cI < w

0. 97 TmA 1

Unkritische Toleranzen ergeben sich, \venn der Wortstrom wie folgt gewählt wird :

1 = 0. 85 mA (26)

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Es folgt eine Tabelle, in dor für das in Fig. 3 gezeigte bevorzugte Ausfülmingsbeispiel der vorgeschlagenen Speidierzelle die gewälilten bzw. berechneten Materialien und Dimensionen sowie die Werte der Operationsströnre aufgeführt sind, die in einer Speicherzelle resultieren, die die Anforderungen an eine schnell schaltbare und für die Speicherung der Binärwerte "1" und ¹¹O" geeignete Speicherzelle erfüllen.

Ströme

mo

Ringdimenüionen

0. 85 mA

1. 45 mA 0. 58 mA

= 1.3 mA

= 10⁴ A/cm²

Materialien

70 μ 2μ

ΙΟ/!

Stärke [Ά]

Grundebene (30) :	Pb	SiO	a =	2000
Isolationsschicht (31) :	SiO „ oder		b =	1000
Erste Elektrode (32a):	In Pb		c =	2000
Oxydhaut (33) :	PbO		t =	20
Zweite Elektrode (32b) :	Pb	SiO	C =	3000
Isolationsschicht (34) :	SiO oder		d -	5000
Steuerelektrode (35) :	Pb	e =	7000

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ir

Anwendung in einer Spoichoranordnu11g

In Fig. 5 ist eine Speicheranordnung gezeigt, die ein Adressenregister 51 aufweist, das mit X und Y Deeodierachaltungen 52 und 53 verbunden ist, welche die Operationen der X-und Y-Stromlreiber Xl - X3 und Yl - Y3 kontrollieren, um so jede beliebige der in der Speichermatrix 50 angeordneten Speicherzellen 10 anzusteuern.

Die supraleitenden Speicherzellen sind auf einer nicht gezeigten, ebenfalls supraleitenden Grundebene angeordnet. Alle Zellen einer Spalte sind hintereinandergesehaltet mit einer Wortstromleitung verbunden, die vom zugehörigen Stromtreiber Y mit einem Halbselektions strom I

^{b b} . m w

beaufschlagt werden kann. Zellen 10 , 10 und 10 sind somit mit der Treiberschaltung Y verbunden, Zellen 10 , 10 und 10 mit

I 1 ώ Cs Ct O Ci

der Treiberschaltung Y , usw. Ueber der Ebene, in der die Ringzellen und die Wortstromleitungen liegen, sind die Bit- oder Steuerstromleitungen angeordnet. Alle in einer Reihe der Matrix angeordneten Zellen sind hintereinander an eine Bitstromleitung gekoppelt, die durch die zugehörige Stromtreiberschaltung X mit einem Halbselektionsstrom I beaufschlagt werden kann. Zellen 10 , 10 und I^ sind somit mit der Treiber-

I1 \ci 1 ο

schaltung X gekoppelt. Zellen 10 10 und 10 mit der Treiber-

1 Zx ic\ Ao

schaltung X etc.

Ct

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In Fig. 5 sind die Treiberschaltungen mit den zugehörigen Deeodierschaltungen 52 und 53 schematisch gezeigt. Sowohl diese Deeodierschaltuiigen als auch das Adressenregister 51 sind grundsätzlich bekannt und von konventioneller Bauart und sind hier daher nicht im einzelnen beschrieben.

Nicht gezeigt sind in Fig. 5 die Leseleitungen,die, abhängig von der
gewählten Art der Leseoperation der Speicheranordnung,entweder mit allen Zellen einer Reihe oder allen Zellen einer Spalte gekoppelt sind. Für die Anordnung der Leseleitungen gibt es zwei Möglichkeiten.
Sie können induktiv mit den Speicherzellen gekoppelt sein, sodass eine Flussänderung eine Spannung in der Leseleitung induziert, die für den gespeicherten Binärwert charakteristisch ist. Die Leseleitungen können auch mit einem Josephson Kontakt versehen werden, der durch das \om Ringstrom hervorgerufene Magnetfeld beeinflusst wird ; wird ein Lesestrom auf die Leseleitung gegeben, so wird das Josephson-Element in Abhängigkeit von der Richtung des Ringstroms entweder in den durch einen Spannungsabfall gekennzeichneten Zustand geschaltet oder nicht. Um die Zeichnung übersichtlich zu halten sind die Leseverstärker, die mit den Leseleitungen verbunden sind, ebenfalls nicht gezeigt.

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Jede Zolle 10 der Speiebermatrix entspricht der in Fig. 3 gezeigten Zelle, deren Arbeitsweise mit Hilfe der Figuren 2A und 2B erläutert wurde. Eine binäre "l" ist gespeichert, wenn sich die Zelle in ihrem stabilen Zustand E befindet, der charakterisiert ist durch einen in einer ersten Richtung fliessenden Ringstrom und dadurch, dass der in der Zelle gefangene Fluss einem elementaren Flussquantum Ö entspricht. Eine binäre "θ" entspricht dem Zustand F₁ d. h. der Ringstrom fliesst in der entgegengesetzten Richtung und auch der die Zelle durchdringende I·']uss hat die entgegengesetzte Polarität.

Der dritte stabile Zustand S, bei dem kein Ringstrom fliesst und bei dem auch kein Fluss Ö die Zelle durchdringt, wird für die Speicherung binärer Werte nicht verwendet. Abhängig von der Art der gewälilten Leseoperation kann die Zelle jedoch entweder von E oder F nacli S geschaltet werden.

Sclireiboperation

Wenn man von der Annahme ausgeht, dass die supraleitende Ringzelle ursprünglich den Zustand S einnimmt, bewirkt ein Wortstrom I der berechneten Grosse 0. 85mA,dass alle an die entsprechende Wortleitung angeschlossenen Zellen sich auf der in Fig. 2B gezeigten Kurve B in Richtung des Punktes a bewegen, diesen jedoch nicht erreichen. Nach Abschalten des Stromes I kehren alle Zellen in den Status S zurück. Die

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Zellen zeigen ein entsprechendes Verhallen für einen entgegengesetzt gerichteten Wortstrom -I _r. Diese Operationen entsprechen einer Ilalbselektion der an die Wortleitung angeschlossenen Zelle.

Wird hingegen lediglich ein Bitstrom I der berechneten Grosse 1. 3 mA auf eine Steuerleitung gegeben, so verbleiben alle an diese Leitung gekoppelten Zellen im Zustand S, obgleich der Wert des maximalen

Josephson-Stroms von i auf den geringeren Wert i reduziert wird. ¹ mo fa to _m

Nach Abschalten des Stromes I verbleiben alle Zellen im Zustand S.

Diese Operation entspricht ebenfalls einer Ilalbselektion aller an die betreffende Steuerleitung angeschlossenen Speicherzellen.

Wenn jedoch+1 und +1 gleichzeitig zugeführt werden, wird die am Schnittpunkt der entsprechenden Strom- und Bitleitungen liegende Zelle auf der Kurve C einen zwischen den Punkten b¹ und c¹ gelegenen Punkt erreichen und ein elementares Flussquantum j9 wird gefangen. Nach Abschalten beider Ströme wird die selektierte Zelle den Zustand E einnehmen. Diese Operation entspricht dem Einschreiben einer binären "l" Eine entsprechende Operation läuft ab beim Anlegen der Ströme -I und -I , wodurch eine binäre "0" gespeichert wird, die dem Zustand F entspricht.

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Für die vorgeschlagene .Speicherzelle., dve ein Verhältnis I / /I

ti J

von 2. 5 aufweist, ist eine bipolare Steuerstromtreiberschaltung erforderlich, die die Ströme +1 und -I abgeben kann, da die ungleich-

CC

massige Stromverteilung im Josephson-Kontakt eine unsymmetrische i -I -Charakteristik hervorruft. Wird hingegen eine Zelle mit einer symmetrischen Charakteristik (Verhältnis ! _T/-/' ."fa I oder niedriger)

J J

verwendet, genügt die Anwendung eines unipolaren Steuerststroms, d. h. sowohl für das Schreiben einer "l" als auch einer ¹¹O" kann ein Steuerstrom -ti angelegt werden.

Leseoperation

Die Leseoperation kann auf zwei verschiedenen Konzepten beruhen, die beide konventionell sind, sodass eine detaillierte Beschreibung unnötig erscheint. Das erste Konzept basiert auf der Tatsache, dass eine gespeicherte "l" sich von einer gespeicherten "O" durch die Richtung des den Ring durchdringenden Flusses unterscheidet. Wird entweder ein

Wortstrom I geeigneter Grosse oder ein Bitstrom I , oder werden diese w ^b c

beiden Ströme gleichzeitig zugeführt, so schalten alle beeinflussten Zellen die beispielsweise eine "1" enthalten von "l" zu "O" (oder in den neutralen Zustand S), während alle Zellen in denen eine "θ" gespeichert ist nicht umschalten. Wenn eine "l" gespeichert war induziert die Flussänderung in der mit der Zelle gekoppelten Leseleitung eine Spannung, die für den Wert "l" repräsentativ ist. Wird keine Spannung induziert, so ist dieser Umstand charakteristisch für eine gespeicherte "0".

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30 ^?3

Das zweite Kon/.epf basiert auf der Tatsache, dass der unikiiu Ringstrom ein Magnetfeld erzeugt, das zur Steuerung eines Josephson-Elements dienen kann, das in einer Leseleituiu^v angeordnet ist, die oberhalb des induktiven Zweiges der Zelle angeordnet ist. Dann wird zunächst ein Wortstrom geeigneter Grosse und Polarität angelegt, um alle betroffenen Zellen,in denen bespielsweise eine "θ""gespeichert i.st , vom Zustand F in den Zustand S zu überführen, d. h. in den Zustand in dem der Hingstrom gleich XuIl ist. Hierbei bleiben alle Zellen, in denen eine "l" gespeichert ist, unberührt, ^ird dann der Leseleitung ein Lesestrom I _t zugeführt, dessen Amplitude etwas geringer ist als der Wert i des Josephson-Elements der Leseleitung, so wird dieses Josephson-Eiemetu in den durch einen Spannungsabfall gekennzeichneten Zustand geschaltet, wenn in der entsprechenden Speicherzelle eine "l" enthalten ist, d.h. wenn der Wert des maximalen Josephson-Stroms durch das durch den Ringstrom

erzeugte Magnetfeld von i auf einen Wert i < I reduziert wird. ^{b to} mo m s

Unter Anwendung bekannter Verfahren könnten in die beschriebene .Speiehermatrix auch ganze Worte gleichzeitig eingespeichert werden, indem der entsprechenden Wortleitung X sowie ausgewählten Bitleitungen Y Wort- bzw. Bitströme zugeführt werden. Durch geeignete Ansteuerung der X-und Y-Leitungen kann eine entsprechende Arbeitsweise auch für Leseoperationen vorgesehen werden.

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Diι; neue supraleiU-iidr Speieherzelle ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführung.sbeispiels beschrieben \vo)-den,in dem ein ein/.iges Josephson-Element Verwendung findet, in dem die angegebenen Materialien benutzt werden und das entsprechend den berechneten Dimensionen und Strömen gebaut und betrieben wird. Es sei hier bemerkt, dass auch andere "weak links" benutzt werden können, und dass gegebenenfalls mehr als ein Josephson-Element in der· Zelle angeordnet sein kann. Obgleich die K-.>r.t 3 ulle des Maximalwertes des Josephson-Stroms eine wesentliche Voraussetzung ist, muss diese nicht notwendigerweise., wie beschrieben, durch eine magnetisch gekoppelte Steuerelektrode erfolgen. Ferner können Materialien, Herstellungsverfahren, Dimensionen usw. , die sich von den beschriebenen unterscheiden, angewendet werden,vorausgesetzt,dass die angegebenen Bedingungen erfüllt werden.

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Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Supraleitende Speicherzelle mit zwei Leiterzweigen, die einen Ring zur Aufnahme von magnetischen Fluquanten β bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (10) wenigstens ein in einem der Zweige (11, 12) angeordnetes Element (13) aufweist, durch das ein Josephson-Tunnelstrom fHessen kann,

   dass Steuermitel (16) vorgesehen sind, die mit diesem Josephson-Element (13) gekoppelt sind und eine Steuerung des Wertes des maximalen Josephson-Stroms ermöglichen, dass Anschlussleitungen (14, 15) für den Ring vorhanden sind, über die die Zelle mit einer Wortstromquelle verbunden werden kann, und

   dass die das Verhalten der Ringzelle bestimmenden Werte der Induktivität L und des in Abwesenheit eines magnetischen Steuerfeldes möglichen maximalen Josephson-Stroms i der folgenden Beziehung gehorchen:

   ΊΓ
2. 2. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität des das Josephson-Element enthaltenden Zweiges (11) klein ist gegenüber der Induktivität des anderen Zweiges (12).

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3. 3. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Josephson-Element aus zwei durch eine dünne Isolierschicht (33) getrennte Metallelektroden (32a, 32b) besteht.
4. 4. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel aus wenigstens einer zur Stromführung geeigneten Leitung (35) bestehen, die mit dem Josephson-Element magnetisch gekoppelt ist.
5. 5. Speichermatrix mit supraleitenden Speicherzellen nach Anspruch 1, in welcher die Speicherzellen in Spalten und Reihen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils alle Zellen (10 _χ, IQ₂₁' ¹⁰I₁) einer Spalte in Serie an eine Wortleitung (55 ) angeschlossen sind, und dass jeweils alle Zellen (1O₁₁/ ¹⁰\2^{r 1O}i3* ^einer Reihe mit einer Steuerleitung (54.) gekoppelt sind.
6. 6. Speichermatrix nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Wortleitung (5S₁) eine Stromtreiberschaltung (Y ) vorgesehen ist, die, gesteuert durch eine erste Decodierschaltung (53), wahlweise einen Wortstrom (I_wl) liefern kann.
7. 7. Speichermatrix nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Steuerleitung \54_χ) sine Stromtreiberschaltung (X₁) vorgesehen ist,, die, gesteuert durch eine

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   3fr

   zweite Decodierschaltung (52), wahlweise einen Steuerstrom (I_cl) liefern kann.
8. 8. Verfahren zum Betrieb der supraleitenden Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einschreiben eines durch die Richtung des in der Zelle fliessenden Ringstroms charakterisierten Binärwertes gleichzeitig eine zur Herabsetzung des Wertes des maximalen Josephson-Stroms des Josephson-Elements (13) führende Aktivierung der Steuermittel und eine Zuführung eines die Zelle durchfliessenden Wortstroms bewirkt wird, wodurch der resultierende maximale. Josephson-Stromwert überschritten und der Einschreibschaltvorgang eingeleitet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung des Josephson-Elements durch die Steuermittel und die Grosse des Wortstroms so gewählt werden, dass bei alleiniger Aktivierung der Steuermittel oder alleiniger Zuführung des Wortstronis der maximale Josephson-Strom nicht überschritten wird und somit kein Schalten erfolgt.

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