DE2346746C3 - Logische Verknüpfungsglieder mit Josephson-Kontakten - Google Patents

Description

zu beschreibenden Erfindung nützliche Angaben zu machen, erscheint eine kurze Beschreibung bereits vorbekanntef Vorrichtungen wünschenswert.

Es ist bereits ein Verknüpfungsglied vorgeschlagen worden, das einen Josephson-Konlakt enthält, der an eine mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossene Übertragungsleitung angeschlossen ist. Ein derartiges Verknüpfungsglied ist in F i g. I gezeigt, worin ein Josephson-Kontakt 10 mit seinen ohmschen und kapazitiven Leitwerten G und C dargestellt ist, der an eine Übertragungsleitung ti angeschlossen ist, die einen Wellenwiderstand Zo aufweist. Die Übertragungsleitung Π ist mit einem Widerstand Ri abgeschlossen, der dem Wellenwiderstand Zo entspricht. Die Parallelschaltung aus Josephson-Konlakt 10 und Übertragungsleitung 11 wird über eine Leitung 12 mit einem Arbeitsslrom k gespeist. Mit dem Josephson-Kontakt 10 ist eine Steuerleitung 13 gekoppelt, an die ein Steuerstrom /, angelegt werden kann. Wenn die Stärke des Steuergeht die Kennlinie B wieder in die Kurve Λ über und der Arbeitspunkt verschiebt sich von Fnach P. Die Position des Arbeitspunkles P hängt von Ib, Zo und von der Hysterese-Kennlinie des Kontakts über d6n Parameter β, = o)_m · CZG_n

ab, worin o)_n, = itAl-ti, Δ die Supraleiterenergielückc und Go den normalen Leitwert für Spannungen > V_s bedeuten. Wie aus der Fig.3 ersichtlich, ergeben sich Ströme // und //'. die in entsprechenden Zweigeh des Kreises fließen, und eine endliche Spannung Vj über deni Kontakt. Der Schaltkreis hat also offensichtlich nicht zurückgeschaltet.

Um der Schaltung zu ermöglichen, vollständig zurückzuschalten, d. h. in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren, bei dem keine Spannung über dem Josephson-Kontakt abfällt und wobei der gesamte Arbeitsstrom /·. über den Kontakt fließt, ist es nötig, den Arbeitsstrom I_n augenblicklich abzuschalten, um der

_M„.xu, ;„*

r.\s Hirtin

strom i_m durch den Josephson-Kontakt mittels des von ihm erzeugten Magnetfeldes steuern. Dieser Zusammenhang wird mit Bezug auf die Steuercharakteristik des losephson-Kontaktes gemäß F i g. 2 erklärt.

F ι g. 2 zeigt ein typisches Beispiel der Abhängigkeit des maximalen Josephsonstroms i_m vom Steuerstrom /,-. Wenn der Steuerstrom /, = 0 ist. kann ein gewisser Strom /_mn im Josephson-Kontakl fließen, welcher Strom im wesentlichen von den benutzten Materialien und den Abmessungen des Kontakts abhängt. Bei Strömen oberhalb von ;_ra0 schaltet der Josephson-Kontakt spontan von seinem supraleitenden Zustand in seinen normalleitenden, d. h. widerstandsbehafteten Zustand Um. Wird der Steuerstrom /, beispielsweise bis zum Wert /,. erhöht, so erniedrigt sich der maximale Strom durch den Josephson-Kontakt bevor das Schalten eintritt./u /_mt.

Im supraleitenden Zustand des Josephson-Kontakts fließt der gesamte Arbeitsstrom /*. im Josephson-Kontakt (If, = I/). da die abgeschlossene Übertragungsleitung 11 einen widerstandsbehafteten Pfad darstellt. Wenn nun ein Steuerstrom /, j angelegt wird, schaltet der Josephson-Kontakt in seinen normalleitenden Zustand um. wobei ein Spannungsabfall V₁ über dem Kontakt auftritt. Nun wird der Strom l_b in einen Teil /;< lh. der weiterhin über den Josephson-Kontakt fließt, und einen Teil Ii aufgeteilt, der in den Lastwiderstand R₁ verdrängt wird, wobei /; = ViZR₁.

Der entsprechende Arbeitspunkt kann grafisch aus der F ig. 3 entnommen werden, worin die Kurve A die Kennlinie eines Josephson-Kontakts ohne Steuerstrom I_c darstellt Der maximale Josephson-Strom ins /_mo. der Arbeitsstrom 4 ist daher kleiner als der Strom ;_m0. Anfangs fließt der gesamte Strom durch den Josephson-Kontakt. Wenn an die Steuerleitung 13 (Fig. 1) ein Steuerstrom I₁ angelegt wird, erniedrigt sich der maximale Josephson-Strom von feo zu 4^₇ und die Kennlinie geht von der Kurve A in die Kurve B über. Da nun der Arbeitsstrom h größer ist als der maximal zulässige Strom /„*> schaltet der Josephson-Kontakt in seinen normalleitenden Zustand um und nimmmt den Arbeitspunkt F im Schnittpunkt der Widerstandsgeraden 14 mit der Kurve B ein. Der Strom /j, ist nun aufgeteilt in einen Strom I₁. der weiterhin durch den Josephson-Kontakt fließt und einen Strom h durch den Lastwiderstand Rl- Der Spannungsabfall über dem josephson-Kontakt in v\

Wenn der Steuerstrom /, danach abgeschaltet wird.

Null-Wert zurückzukehren. Mit anderen Worten, der Arbeitsstrom //, muß für die Rückstellung gepulst werden. Das ist ein großer Nachteil der vorbekannten Vorrichtungen. Wenn es nämlich erwünscht ist, eine Anzahl dieser Schaltkreise hintereinander zu schalten, ist es unbedingt notwendig, sie durch Einfügen großer Induktivität in die gemeinsame Speiseleitung voneinander zu isolieren, so daß in einem der Schaltkreise auftrei indes Umschalten die anderen Schaltkreise nicht beeinflußt. Falls für die Rückstellung der Arbeitsstrom I_n abgeschaltet werden müßte, wären alle an die betreffende Speiseleitung angeschlossenen Schlatkreise dennoch betroffen und es würde eine sehr lange Zeit in Anspruch nehmen, bis die in den Induktivitäten gespeicherte Energie verschwunden wäre.

Durch geeignete Dimensionierung ist es möglich, eine selbstrückstellende Schaltung zu entwickeln, bei der keine Notwendigkeit für das Pulsen des Arbeitsstroms Ib besteht. Diese Schaltung macht den Gebrauch von den dynamischen Eigenschaften des Josephson-Kontakts. nämlich von dem Umstand, daß wenn über dem Josephson-Kontakt eine endliche statische (zeitlich durchschnittliche) Gleichspannung < K/>. erscheint eine Wechselspannung Vder Frequenz

/■= 2eZh ■ < V,>.

die der Spannung < V_t> überlagert ist (a-c Joseph^ son-Effekt). Die Amplitude der Wechselspannung V hängt von den Eigenschaften des Kontakts sowie von der an ihn angeschlossenen Last ab.

Es ist bekannt, daß ein Josephson-Kontakt. der in seinen normalleitenden Zustand übergeführt wot ./en ist. automatisch in seinen supraleitenden Zustand zurückkehrt, wenn der gesamte Kontakt-Strom //kleiner wird als ein gewisser Minimal-Wert /_m,> Dieses Phänomen ist ein dynamisches und es ist eine direkte Folge des a—c Josephson-Effekts. Es tritt dann auf, wenn der Augenblickswert der Kontakt-Spannung

die Ordinate V₁ = 0 überschreitet. Die tatsächliche Spannung < V/> über dem Kontakt für weiche das erfolgt wird als die Minimalspannung Vmm bezeichnet- Um einen selbst-rückstellenden Schaltkreis zu erhalten, muß man deshalb die Parameter des Josephson-Kontakts und des Schaltkreises so auslegen, daB bei Abwesenheit eines Eingangssignais die Sirom/Spannungs-Kennlinie des Kontakts und die Widerstands-Ge-

rade nur einen stabilen Punkt gemeinsam haben, nämlich den auf der Null-Volt-Ordinate.

In der Schaltung gemäß Fig. 1 mit l_c — 0, ergibt ein endlicher Durchschnittswert der Spannung < V/> einen Josephson-Strom %

h = i'mo sin cu/t wobei ω/ = 2e/h ■ < V/> .

Diese* Strom, der durch die Parallelschaltung von G. C und Zn fließtj^bewirkl eine Wechselspannung κ mit einer Amplitude |v|entsprechend den Gleichungen (I) und (2) (Fig. 12). Für automatische Rückstellung muß der Strom // wie bereits erwähnt kleiner als /„,,„ sein, entsprechend Gleichung (3) in Fig. 12. Am Punkt S (Fig. 3) ist die Amplitude V von Gleichung (1) gleich Vim» und Vi bleibt bei null Volt. Das Kriterium für Selbst-Rückstellung erhält man unter Benutzung der Gleichungen (4a) bis (4c) (Fig. 12), worin G den tatsächlichen Kontakt-Leitwert in der Umgebung von v'i = '^„„„bedeutet.

Beispielsweise erhält man für einen Kontakt mit einer Fläche von 2 μηι χ 2 μηι und eine Oxydschicht von 18 Ä mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten B, = 4. eine Kapazität C = 0,078 pF. Bei einer maximalen Stromdichte

L₃, = 2 · 10⁴ A/cm²

entspricht der normale Leitwert G₀ (gemäß der BCS-Theory) lO'mal der Flächedes Kontakts.demnach Gn = 0,4 Ω '. Die Berechnung der Supraleiterenergielücke Λ aus V_f = 2 Ale, worin die Lückenspannung V_f mit r_g = 2.5 mV gewählt ist, ergibt Δ = 2 · 10 ²²Ws. Mit diesen Werten ist es nun möglich, die losephson-Frequenz an der Lücke L = πΔ/h auszurechnen, die sich zu

L = 0.95 - 10¹²S '

ergibt. Dieses Ergebnis gestattet die Berechnung des Admittanz-Verhältnisses ß_c = m_mC/Gn. und dieses ergibt sich zu ß_c = 1.16.

Wenn man nun ß_c = 1 wählt, was einer maximalen Josephson-Stromdichte von /m*, = 23 ■ 10⁴ A/cm² entspricht, und ohne Steuerstrom l_c, d. h. mit L = L₀, und mit G/Go = 0,2. ergeben die Gleichungen (4a) und (4b) der Fig. 12: LJL₀ = 0,51. bzw. V_m,„ = 2 mV. Gleichung (4c) ergibt dann (It/Ln) < 0,76 als Bedingung für Selbst-Rückstellung mit den oben angegebenen Daten.

Wenn man (It/Lo) = 0,7 macht, d.h. >037 in Übereinstimmung mit Gleichung (7), mit G₀-Zb = G₀Rl = 4, was die Bedingung dafür ist, daß V₁ in der Nähe der Lückenspannung V_g liegt, ist es nun möglich, die Beziehung zwischen dem in den Lastwiderstand Rl umgeleiteten Strom Il und dem Arbeitsstrom //, zu ermitteln, wobei sich unter Benutzung der Gleichung (5) ii/h = 0,45 ergibt. Mit Gleichung (6) erhält man ijJLo < 03.

Für den Fall, daß ein Steuerstrom fließt (/<- Φ 0) so daß im/Ίπ,ο = 03, hat man X_m,„ = 035 gemäß Gleichung (4b) (Vn_71n = 1,1 mV), und lmmftmo = 0.14 mit Gleichung (4a).

Mit der oben gemachten Annahme einer Stromdichte

J_n^_x = 23 ■ 10* A/cm²

wird der maximale Josephson-Strom L₀ = 0,92 mA. und daraus ergibt sich ein Arbeitsstrom h = 0,64 mA. Ein Schaltkreis mit den vorstehend angegebenen Parametern ist dann selbst-rückstellend nach Abschal-

65 tung des Steuerstroms /_o

Fig.4 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie eines josephson-Konlakts unter Benutzung der Daten des oben angegebenen Ausführungsbeispiels.

Es ist natürlich wichtig, die Schaltungsparameter in Bezug auf den Zweck geeignet zu wählen, dem die Schaltung dienen soll. Wenn die Schaltung mit anderen kombiniert Werden soll, um gewisse logische Funtkioneri auszuführen, und wenn die anderen Schallungen ebenfalls Josephson-Kontakie enthalten, die beispielsweise durch den in die Übertragungsleitung beim Umschalten der ersten Schallung umgeleiteten Strom // umgeschaltet werden sollen, muß dieser Strom /; eine genügende Stärke aufweisen, um die weitere josephson-Konlakte zum Umschalten zu veranlassen. Das hängt natürlich von den F.igenschaften der betreffenden josephson-Koniakte ab.

Eine Kombination dieser selbst-rückstellenden Schaltung mit einer weiteren Josephson-Schaltung, ergibt ein Schema für Verknüpfungsglieder gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einer Schaltung gemäß F i g. 5. in der der rechte Zweig eine Induktivität i' aufweist, werden die Stromverhältnisse sowie die Phase qr über dem Josephson-Kontakt 15 durch die Gleichung

Ibo/imO = (im/imo) Sin ψ+ψ/λ

beschrieben, worin ;_mn der maximale josephson-Strom für

/, = OundA = ti)m ■ I' · G_n - 2.1N.

bedeuien. wobei /Vdie maximale Anzahl von Flußquanten Φ<\ ist. die von der Induktivität I' eingefangen werden können.

Die Lösung der Gleichung für die Ströme in der Schaltung gemäß F i g. 5 kann graphisch aus der F i g. 6 entnommen werden. Eine Gerade 16 repräsentiert den Teil des Stromes, der in φ linear ist. d. h. den Strom h/imo = φ/λ, der in der induktivität fließt. Eine der Geraden 16 überlagerte Sinuswelle 17 entspricht dem Strom /; = i_m sin φ im Josephson-Kontakt. Mit einem Arbeitsstrom /to. der an die Schaltung von Fig.5 angelegt wird, erhält man einen Arbeitspunkt D. In diesem Punkt fließt ein ziemlich großer Teilstrom indes Stromes 4o über den Kontakt 15, während nur ein kleiner Strom //.durch die Induktivität {' fließen kann.

Wie bereits erwähnt, bewirkt das Anlegen eines externen Magnetfeldes an den Josephson-Kontakt mittels eines Steuerstromes f_c eine Herabsetzung des maximalen Josephson-Stroms Lo- Im Zusammenhang mit der Schaltung nach Fig.5 drückt sich dieser Umstand in der gestrichelten Sinuswelle 18 in Fig.6 au<^ Das Anlegen des Steuerfeldes resultiert daher in eine Verschiebung des Arbeitspunkles von D nach D'. Wis aus F i g. 6 ersichtlich, haben die Stromverhältnisse sich verändert, indem nun ein kleinerer Strom w durch den Josephson-Kontakt fließt während ein größerer Strom ILc in die Induktivität 0 umgeleitet worden ist.

Wenn die Induktivität Q klein genug gewählt ist. ist der Anstieg der Geraden 16 in F i g. 6 so groß, daß die ihr überlagerte Sinuswelle 17 keinen Schnittpunkt mit der φ-Achse hat Der bestimmende Faktor dafür ist der Wert von λ. Um Schnittpunkte, ausgenommen den Nullpunkt, zu vermeiden, muß λ < 3,τ/2 sein. Wenn jedoch die Induktivität G groß ist. ist der Anstieg der Geraden 16 klein und dementsprechend könnte die Sinuswelle mehrere Schnittpunkte mit der φ-Achse aufweisen. Diese Situation ist in F i g. 7 dargestellt. Bei der anfänglichen Erhöhung des Stroms folgt der

Arbeitspunkt der Sinuswelle 17' bis zum Punkt 7Ί. wo der Josephson-Koiitakl umschaltet und der Arbeilspunkt zum Punkt 7} springt. Bei der Erniedrigung des Stromes folgt der Arbeitspunkt der Sinuswelle 17' bis zum Punkt Tu der ein stabiler Arbeitspunkt ist. An diesem Punkt bleibt ein kontinuierlicher Stromfluß // in der Schleife erhallen, ohne daß von außen Strom zugeführt wird. Tatsächlich ist dieser Fall die Basis für eine losephsoo-Speicherzelle, die jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Im Gegenteil befaßt sich die vorliegende Erfindung mit dem Schema; bei dem die induktivität V klein genug ist, daß außer im Nullpunkt keine Schnittpunkte der Kurve 17 mit der r/j-Achse existieren. Gemäß Fig. 6 ist das der Fall, wenn A < 3,-r/2 ist. Da A = 2πΝ. entspricht das N < 3/4. Mit »nderen Worten, die Induktivität V muß klein genug tein. daß der maximale Fluß W_m kleiner ist als ungefähr ein Flußquant <K.

Unter diesen Umständen kann kein Ringstrom in der gnale abgeschaltet werden. Unter diesen Umständen sind die Arbeitsbedingungen eindeutig und genau definiert. Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit für das Pulsen der Arbeitsströrne, wodurch sich entsprechend kürzere Zykluszeiten ergeben,

Fig. 8 zeigt ein Beispiel für ein UND-Glied mit drei Eingängen der vorliegenden Erfindung. Dieses UND-Glied besteht aus einem Eingangskreis 19, der die Josephson-Kontakte 20 bis 22 in Parallelschaltung

ίο aufweist, die über eine gemeinsame Speiseleitung 23 mit dem Arbeitsstrom /f,o versorgt werden. Die Josephson-Kontakle 20 bis 22 können durch Anlegen geeigneter Ströme A ι bis A ι an ihnen zugeordnete Steuerleitungen 24 bis 26 gesteuert werden. Ferner ist eine Induktivität 27 den |osephson-Kontakten 20 bis 22 parallel geschaltet.

Das UND-Glied umfaßt ferner einen Ausgangskrc/; 28 mn einem JosephsonKontakt 29. der cn eine Speiseleitung 30 sowie an eine Übertragungsleitung 31

CffiGirC nut r

i/iCiisCif, WGnn CiiC G/itCrriCn 2v

Stromquellen abgeschaltet sind. Das ist aus Fig.6 ersichtlich, wo die anfängliche Erhöhung des Stromes zu einem Arbeitspunkt U\ führt, an welchem der Kontakt fcum Arbeitspunkt Uj umschaltet, von wo er der Sinuswelle 17 bis zum Punkt U\ folgt, wo der Kontakt Huf dem Arbeitspunkt IA zurückschaltet, um zum Nullpunkt zurückzukehren.

Es wird nun wieder Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit Fig. 6 erwähnten Bedingungen. d. h. ein Steuerstrom h ist angelegt und mit einem in die Schaltung fließenden Arbeitsstrom Ibo stellt sich der Arbeitspunkt D' ein. Dabei fließt nun ein größerer Strom in der Induktivität M während ein reduzierter Strom weiterhin über dem Josephson-Kontakt fließt. Da die Bedingungen so gewählt sind, daß bei diesem Vorgang kein Umschalten des Kontaktes erfolgt, kehrt lter Arbeitspunkt von D' nach D zurück, wenn das externe Feld, das durch den Strom l_e erzeugt wurde, hicht mehr vorhanden ist, und damit ist die Stromverteilung wieder wie sie ursprünglich war. Der Stromumleitungsprozeß, der durch den externen Steuerstrom /_r hervorgerufen wurde, ist daher vollständig reversibel.

Der Fluß Φρ in der eine Induktivität G aufweisenden Schleife der Fig. 5 wird beschrieben durch *{? = [ψΙ2π) Φο. Aus der F i g. 6 ist zu entnehmen, daß Her maximale, »reversible« Fluß, der in der Schleife Angefangen werden kann, sich für φ = π ergibt und gleich Φο/2 ist

Falls die Schaltungsanordnung, von welcher die Schaltung gemäß F i g. 5 nur ein Teil ist, einen Betrieb •nit größeren Werten von Φ erfordert, ist es nötig, größere Werte für den Arbeitsstrom 4o vorzusehen. Allgemein gilt, daß wenn man nimmt:

2 ΝπΙλ < 4o//_mO < (2 N + 1),τ7Λ.

umkehrbare Stromumleitung auch erhalten werden kann durch Steuerung von im. Der eingefangene Fluß Φ variiert dann zwischen ΝΦ₀\ιηά(Ν + 1/2) Φο-

Die beiden Konzepte der Selbst-Rückstellung und der reversiblen Stromumleitung, die in den vorstehenden Abschnitten beschrieben worden sind, werden im folgenden benutzt, um verschiedene Verknüpfungsglieder zu schaffen, die logische Funktionen, wie z. B. die UND-, ODER- bzw. NICHT-Verknüpfungen ausführen können. Wenn die genannten Konzepte bei der Auslegung dieser Verknüpfungsglieder verwirklicht werden, _kehren_ diese immer automatisch in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wenn ihre Emgangssiaufweist. Die Übertragungsleitung 31 ist mit einem Lastwiderstand 32 abgeschlossen, dessen Wert Ri = Z_n ist.

Dieses UND-Glied ist so ausgelegt daß ein Ausgangsstrom Ii nur dann fließt, wenn sämtliche Eingangsströme /, ι bis Ai vorhanden sind. Das UND-Glied stellt automatisch zurück (mit /; = 0), wenn wenigstens einer der Eingangsströme Ai. /,j oder Ai abgeschaltet wird.

Wenn die drei Eingangsströme /, ι bis Ai vorhanden sind, wird fast der gesamte Arbeitsstrom ko in die induktivität umgeleitet und fließt dort als Steuerstrom Ic- Das Magnetfeld, das durch diesen Strom erzeugt wird, reduziert den maximalen Josephson-Strom i_m des benachbarten Josephson-Kontakts 29 unter den Wert des an den Ausgangskreis angelegten Arbeitsstroms lh. vorausgesetzt, daß der Steuerstrom /, ausreichend groß ist.

Da der maximale Fluß Φ in der Induktivität 27 für vollständige Reversibilität Φο/2 beträgt, folgt, daß der Arbeitsstrom 4 und die Steuerkennlinie des Ausgangskreises 28 so gewählt werden müssen, daß .'er Kontakt 29 umschaltet, wenn ein Steuerfluß Φ<· von der Größenordnung Φο/2 angelegt ist. Für eine Sieuerkennlinie entsprechend der Gleichung (8a) in F i g. 12 und mit der Bedingung /„ < 4, erhält man UL ο > 0,64 für das Umschalten des Kontaktes 29 bei Vorhandensein sämtlicher Eingangsströme Ai bis A3.

Andererseits soll kein Umschalten erfolgen, wenn nur

so (n— 1) der η Eingänge des Eingangskreises 19 Strom führen. Unter Benutzung von Gleichung (8a) und F i g. 6 ergibt diese zusätzliche Bedingung angenähert /i//rao<0,9. Die Bedingung für Selbst-Rückstellen ist durch Gleichung (4c) gegeben. Die Bedingungen für den Arbeitsstrom sind in Gleichung (10) und diejenigen für den Eingangskreis 19 sind in den Gleichungen (9a) und (9b) zusammengefaßt. Die Gleichung (9a) gilt für den Grundzustand (N = 0).

Die Berechnung eines praktischen Ausführungsbeispiels eines UND-Gliedes beginnt mit der Ermittlung der Parameter für den Ausgangskreis 28. Die Werte

G₀

Z₀

=23·10Ά/αη2,
=4 μπι²,
=0,47 Ω-',

ergeben mit Gleichungen (4c) IJi_ma < 1,0 als Bedin-

gung IQr Selbst-Rückstellung. Mit Gleichung (10) erhält man die Grenzen 0,64 < lb>r„,a < 0,9. Wenn man lb/i_m0 = 0,8 wählt, erhält man h/h = 0,8 mit Gleichung (5) und mit Gleichung (6) i„/i„,o < 0,8.

Es ist nun erforderlich, den Steuerstrom \ zu berechnen, der in der induktivität des Eingangskreises 19 fließen muß. Der Wert /„//„,o < 0.8. der für den Ausgangskreis erhalten wurde, impliziert mit Gleichung (8a) daß Φ ,/Φα > 0,36. Unter Benutzung von Gleichung (8b) in welcher Ldie Länge des Josephson-Kontakts und A/ die losephson-Eindringliefe bedeuten, muß man haben

WmO > 0J6 · 2 π1
Für eine maximale losephson-Stromdichte
/_nm = 2J ■ ICH A/cm³

kt die Josephson-Eindringtiefe λ/ = 2,5 μιη. Für einen Kositakt mit einer Länge von L — 2,5 μηι und einer

B** ι ü * ι. Λ r*l" u.

[till- TVII I.Uftfll, CIIIJIJICLIIbIIU CIIItI I IdCUC VWII

A = 4 um², erhält man Uki = 1, so daß

lc/imo > 0.36 · 2 π = 2,25.
Der maximale Joscphson-Strom wird berechnet aus

Lo = /™, · A = 2,3 · 10⁴ZCm² · 4 · IO-s_Cm²
= 0.92 niA,

und daraus ergibt sich /, > 2,05 niA.

Es wird nun vorausgesetzt' daß wenn sämtliche ^Eingänge 24 bis 26 Strom führen, etwa 90% des Arbeitsstroms in die Induktivität 27 umgeleitet werden. Daraus folgt, daß man haben muß /<· = 0.9 · I_bo. was Ibo > 23 mA ergibt. Nimmt man λ = ,τ. um die Gleichung (9b) zu erfüllen, erhält man mit Gleichung (9a) Ibo/imo < I für den Eingangskreis oder *no > Ibo = 2,3 mA für die Kontakte im Eingangskreis. Mit

Lo = Im™ ■ A und für /_ma, = 2.3 · Whlcm²,

erhält man A > 10 -' cm', d.h., die Fläche jedes der Eingangskontakte 20 bis 22 sollte größer als 10"^rcm² (beispielsweise 3 μιπ χ 4 μιη) sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Verwirklichung eines UND-Gliedes ist in Fig. 9 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Eingangskreis 19 und der Ausgangskreis 28 des UND-Gliedes gemäß Fig.8 zu tinem gemeinsamen Kreis 33 kombiniert, der von einem einzigen Arbeitsstrom Ib gespeist wird. Joxephson-Koniakte 34 bis 36 sind jeweils in Reihe geschaltet mit Induktivitäten 37 bis 39. Jeder der Kontakte hat seine eigene Steuerleitung 40 bis 42 an welche Steuerströme ti bis /j3 angelegt werden können. Die Zweige mit den Josephson-Kontakten sind parallel geschaltet und mit einer Übertragungsleitung 43 verbunden, die mit einem Widerstand 44 abgeschlossen ist. dessen Wert dem Wellenwiderstand Zo der Übertragungsleitung 43 entspricht. Beim Betrieb dieses UND-Gliedes wird erwartet daß eine Spannung V_L ~ V_g an dem Widerstand 44 abfällt, falls alle η Eingänge des UND-Gliedes mit ihren Eingangsströmen A gespeist werden, d. h. die josephson-Kontakte 34 bis 36 müssen alle in ihren normalleitenden Zustand umgeschaltet haben. Wenn nur (n— 1) oder weniger Eingänge Strom Führen, sollte kein Umschalten eintreten, wobei die Ströme (gemäß dem in Zusammenhang mit Fig.6 beschriebenen Prinzip) in die ohne Eingangsströme gebliebenen Zweige umgeleitet werden. Diese Voraussetzungen führen zur Bedingung

nUJU) < (V/_m0) < (n-\)(i„li_m0) + n/2 λ,

worin λ = ω,_η ■ i'Co — 2π N. Für vollständige Reversibilität müssen die Induktivitäten 37 bis 39 klein genug sein, so daß kein Ringstrom in der Schaltung fließen kann, nachdem alle Eingangssignaie abgeschaltet sind. Das impliziert die Bedingung 2λ < 3rr/2, d. h. die Induktivitäten müssen so klein sein, daß sie lediglich einen Teil eines Flußquantums Φα einfangen können.

Unter diesen Bedingungen arbeitet die Schaltung 33 als ein reversibles UND-Glied. Außerdem ist es selbst-rückstellend, wenn (GaZn) und ß_c klein genug lä gewählt sind, um der Gleichung (4c) in Fig. 12 zu genügen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ergaben die folgenden Parameter ein reversibies, selbst-rückstellendes UND-Glied mit drei Eingängen:

Ui_1n. = 1 1 ; = 2 a B, = 1. G_nZ₀ = 5.

2S

Ein Beispie! für ein ODER-Glied, das ähnliche Prinzipien benutzt, wie das UND-Glied der F i g. 8. ist ^;n Fig. 10 dargestellt. In diesem Beispiel sind Josepnson-Kontakte 45 bis 47 in Reihe geschaltet mit einer Speiseleitung 48 und arbeiten zusammen mit einer gemeinsamen Induktivität 49, die den Kontakten parallel geschaltet st. Jeder der Kontakte 45 bis 47 hat seine eigene Eingangsleitung 50 bis 52. Die Induktivität 49 ist mit einem Josephson-Kontakt 53 gekoppelt, der eine eigene Speiseleitung 54 hat. Wie bei der Schaltung gemäß Fig.8 is·, der Kontakt 53 mit einer Übertragungsleitung 55 verbunden, die mit einem Widerstand 56 abgeschlossen ist, dessen Wert Ri = Zn ist.

Das ODER-Glied soll ein Ausgangssignal liefern (und einen Spannungsabfall Vi = V_f über dem Widerstand 56). falls irgendeiner oder mehrere der Eingangsströme At bis Li vorhanden sind. In diesem Fall wird der Arbeitspunkt des entsprechenden Josephson-Kontaktes 50,51,52 von einer anfänglichen Position bei Din Fig. 6 zu einer neuen Position D' verschoben, da die Sinuswelle 17 für I]-I_n^ ■ sin φ zu der Sinuswelle 18 abgeflacht worden ist, mit I₁ = w · sin φ. Wie a*.." F i g. 6 ersichtlich, wird im Arbeitspunkt D' ein größerer Teil des Arbeitsstroms Ik, in die Induktivität 49 umgeleitet. Es ist jedoch darauf zu achten, daß das Anlegen der Eingangsströme A an die Eingangsleitung 50 bis 52 nicht dazu führt, daß die zugeordneten Josephson-Kontakte umschalten.

Das Anlegen eines der Eingangsströme /, sollte bewirken, daß ein größerer Steuerstrom /_r in der Induktivität 49 auftritt, dessen Größe ausreicht, um den maximalen Josephson-Strom i_m im Kontakt 53 so weit herabzusetzen, daß der letztere in seinen normalleitenden Zustand umschaltet wobei ein Teil des Arbeitsstroms /öin die Übertragungsleitung 55 umgleitet wird.

Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich für die Arbeitsbedingungen des ODER-Gliedes folgendes: Die Reversibilität des Eingangskreises 57 ist gewährleistet wenn /«>//^ο<.τ:/Λ. Unter der Annahme einer Steuerkennlinie entsprechend Gleichung (8a), Fig. 12, erfordert das Umschalten des Kontakts 53 im Ausgangskreis 58 bei Vorhandensein eines Eingangsstromes A, daß It/imo>0,64. Selbstrückstellen des Ausgangskreises ist gewährleistet wenn die Gleichung (4c) in F i g. 12 erfüllt ist. Ein offensichtlicher Vorteil des ODER-Gliedes ist daß, obwohl die Josephson-Kontakte 45 bis 47 des

Eingangskreises in Reihe geschaltet sind, der Ausgangsstrom immer konstant = I'*. Ri ist.

Eine mögliche Ausführungsform eines NICHT-GIiedes ist in Fig. Π gezeigt. Das NICHT-Glied sollte ein Ausgangssignal liefern (und einen Spannungsabfall V) über seinem Atigangswidersiand Ri). falls das Eingangssignal /, nicht vorhanden ist. Das NICHT-Glied hat einen Eingangskreis 59. der einen |osephson-Kontakt 60 umfaßt, sowie zwei Induktivitäten 61 und 62 in Parallelschaltung, wobei eine von ihnen (61) mn dem Kontakt 60 in Reihe geschaltet ist. Arbeitsstroin /„, wird einer Speiseleitung 63 des Eingangskreises 59 zugeführt und wird aufgeteilt, so daß im wesentlichen gleiche Teilströme durch die beiden Zweige 64 und 65 des Eingangskreises 59 fließen. Der Josephson-Kontakt 60 hat eine Eingangsleitung 66. an welche ein Eingangsstrom /,angelegt werden kann.

Wenn der Eingangsstrom Λ nicht vorhanden ist. ist der Speisestrom Ito. wie erwähnt, auf die beiden Zweige 64 und 65 aufgeteilt. Der Steuerfluß Φ. - V /«/2. der in dem den Kontakt 60 enthaltenen Zweig 64 fließt, wird dazu benutzt, einen (osephson-Kontakt 67 des Ausgangskreises 68 zu steuern. Der Steuerfluß Φ. n groß genug gewählt, um den Kontakt 67 in seinem nornialleitenden Zustand zu halten, so daß über dem Widerstand 69 eine Spannung V, abfällt.

Wenn das Eingangssignal Λ angelegt wird, wird der maximale Josephson-Strom des Kontakts 60 herabge

setzt und der größte Teil des Stromes Z₁ wird vom Zweig 64 in den Zweig 65 umgeleitet. Diese Umleitung ist reversibel und erfolgt ohne Umschalten des Kontaktes 60. in der im Zusammenhang mit Fig.6 beschriebenen Weise. Der Rest des Flusses Φ,. genügt nun nicht mehr, um den losephson-Kontakt 67 in seinem umgeschalteten Zustand zu halten und infolgedessen stellt der Ausgangskreis 68 automatisch zurück, wobei V/=0 wird.

Die Reversibilität dieses NICHT-GIiedes wird gewährleistet, wenn

2 X-/λ <

< (2 /V+ 1) π/λ ,

wobei λ proportional der Induktivität M ist. Mit N=O (sogenannter Grundzustand) und einer Steuerkennlinie in Übereinstimmung mit Gleichung (8a), ergibt sich

0 < /hj/w < -τ/λ.

und der Josephson-Kontakt 67 des Ausgangskreises 68 schaltet um. falls /*//„*> > 0.9.

Für den Fall Λ/= 1. wird der Eingangskreis 59 mit

2,-r/A

/„,„) <3π/λ

betrieben, und der Kontakt 67 nimmt seinen normal leitenden Zustand ein (falls Z₁ = O) vorausgesetzt, daß 035.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Logisches Verknüpfungsglied mit Josephson-Kontakten, bestehend aus einem Eingangskreis mit einem oder mehreren Eingangs-Josephson-Kontal'-ten und einem Ausgangskreis mit mindestens einem Josephson-Kontakt, an den eine mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossene Übertragungsleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet. daß der Eingangskreis (19,57,59) eine oder mehrere Induktivitäten (27; 37, 38, 39; 49; 61, 62) enthält, deren Wert (L) so gewählt ist, daß beim maximal zulässigen Strom (i_m) durch den Josephson-Kontakt weniger als ein Flußquant (Φο) eingeschlossen ist is [Li_n, < Φα) und daß die Schaltungsparameter des Ausgangkreises (28, 58, 68) so gewählt sind, daß die Amplitude der am Josephson-Kontakt des Ausgangskreises anliegenden Wechselspannung (V) größer ist s's der Spannungsabfall (< V >) über den Kontakt im aormalleitenden Zustand.

2. Verknüpfungsglied nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis die Bedingung

< JL

erfüllt ist. wobei Ibo den den Eingangs-Josephson-Elementen (20 ... 22, 34 ... 36, 45 ... 47, 60) !0 zugeführten Speisestrom bedeutet. A eine der Induktivität nn Eingangskreis proportionale Größe ist und feo den maximal, ι Strom in einem Josephson-Element öhre angelegtes Steuersignal darstellt.

3. Verknüpfungsglied nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsparameter des Ausgangskreises den folgenden Bedingungen genügen:

/,„„ ^ G
imo O_n

4 K

(.τ/4 Γ

mtn _

V A /

/ 1+ GR_L \ \ O₀ R₁ )

A_ < <t'4)³ ₊ / 1 + GR_L \ 1

45

5. Logische Schaltung nach einem der Ansprüche I bis 4 zum Ausführen der LJND-Funktion, gekennzeichnet durch π Eingangsleitungen (24 ... 26), die je einem losephson-Kontakt (20 ... 22) zugeordnet und mit einer gemeinsamen Induktivität (27) verbunden sind, die eine solche Größe hat, daß der sie durchfließende Steuerstrom (/,), falls alle Eingangsleitungen (24 ... 26) Strom führen, eine Stärke aufweist, die ausreicht, einen weiteren mit einer Ausgangsimpedanz (32) verbundenen Josephson-Kontakt (29) umzuschalten, wobei die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

0 <

λ <

0,64 <

'mit

< 3/4

6. Verknüpfungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Ausführen der ODER-Funktion, dadurch gekennzeichnet, daß η losephson-Kontakte (45 ... 47), die je eine eigene Eingangsleitung (50 ... 52) aufweisen, miteinander in Reihe und mit einer gemeinsamen Induktivität (49) parallel geschaltet sind, welche Induktivität (49) steuernd mit einem zugeordneten losephson-Kontakt (53) gekoppelt ist. welcher über eine angepaßte Übertragungsleitung (55) an eine Ausgangsimpedanz (56) angeschlossen ist. und daß die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß beim Anlegen irgendeines der Eingangssignale (Ai ... Aj) der in die Induktivität (49) umgeleitete Steuerstrom (A) ausreicht, um den zugeordneten Josephson-Kontakt (53) in seinen normalleitenden Zustand /u schalten, so daß in der Übertragungsleitung (55) ein \usgargssignal erzeugt wird, und daß der genannte Kontakt (53) in seinen supraleitenden Zustand zurückschaltet, wenn das genannte EingangSMgn.il (AA t) verschwin det. wobei die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

A.

'ml'

3 -

worin Α™ und V'„„„ den minimalen Kontakt-Strom 0.64

bzw. die minimale Kontakt-Spannung bedeuten unterhalb welcher der losephson-Kontakt (29, 34 ... 36. 53, 67) in seinen supraleitenden 7ustand zurückkehrt, /„,n und im die maximalen losephson ■» Strome fur /. = 0 und 1*0. (Ί den tatsächlichen Kontakt Leitwert für V.- V^_n. fm den Normalwert des Leitwertes des genannten Kontaktes lnr Spannungen großer V_e. V_r die l.uckenspannung. /., den dem Kontakt zugeführten Speisestrom. ,( das Admittanz-Verhältnis des Kontaktes, Ri den Ausgangswidersland und /_cden Steuerstrom bedeuten.

4. Verknüpfungsglied nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Eingangskreis und Ausgatigskreis galvanisch getrennt sind und daß ein Abschnitt (z. B. 27) des Eingangkreises als Steuerleitung für den Josephson-Kontakt (29) des Ausgangskreises angeordnet ist.

7. Verknüpfungsglied nach einem der Ansprüche ! bis 4 /um Ausfuhren einer NICHT-Verknüpfung gekennzeichnet durch circn ersten losephson Kon takt (60). der mi! einer Induktivität (f>l) in Reihe geschaltet ist. welche Keihenschaltur.e mit einer weiteren Induktivität (62) p.irallelgesihaltet und Steuernd mit einem /weiten losephson Kontakt (67) gekoppelt ist, welcher über eine angepaßte Übertragungsleitung (70) mit einer Ausgangsimpedanz (69) verbunden ist, wobei die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß. wenn kein Eingangssignal (A) an einer mit dem ersten Josephson-Kontakt (60) gekoppelten Eingangsleitung (66) anliegt, der der Parallelschaltung zugeführte Speisestrom (As₀) auf deren Zweige (64, 65) aufgeteilt wird und ausreicht.

den zweiten Josephson-Kontakt (67) in seinem normalleitenden Zustand zu halten und dabei ein Ausgangssignal in der Übertragungsleitung (68) zu erzeugen, und daß beim Anlegen eines Eingangssignals (A) an die Eingangsleitung (66) der Strom (I₁) durch Umleitung in den anderen Zweig (65) auf einen kleineren Wert reduziert wird und dabei dem zweiten Josephson-Kontakt (67) gestattet, in seinen supraleitenden Zustand zurückzukehren, womit das Ausgangssignal verschwindet, wobei die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

2πΝ

'mO

'mO

(2/V+p.T

> 0,9 für V = 0

> 0,35 für V = 1

(,V ist die Anzahl der gespeicherten Flußquanten).

8. Verknüpfungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Eingangskreis und Ausgangskreis galvanisch miteinander verbunden sind und daß die losephson-Kontakte (34 bis 36) im Eingangskreis auch als Josephson-Kontakte im Ausgangskreis dienen.

<i. Verknüpfungsglied nach Anspruch 8 /um Ausführen einer UND-Verknüpfung, gekenn/eich· 3d net durch π Eingangsleitungen (40 ... 42). die je einem Josephson-Kontakt (34 ... 36) zugeordnet sind, welche Kontakte je mit einer Induktivität (37 ... 39) in Reihe geschaltet sind, und wobei diese η Reihenschaltungen über eine angepaßte Übertra y, gungsleitung (43) mit einer 'Wisgungsimpedün/ (44) parallel geschaltet smd. und daß die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß nach dem -\nlegen sämtlicher Eingangssignale dte zugeordneten Kontakte (34-... 36) in ihren normalleitenden Zustand umschalten und dabei ein Ausgangssignal in der Übertragungsleitung (43) erzeugen, wobei die Induktivitäten (37.. .39)der Bedingung genügen:

< 3/8

worin imo der maximale losephsonStrom. V du Induktivität und 'Pndas 1 lußquantum bedeuten

Die vorliegende i rfindung bezieht sich auf |oseph son-Kontakt-Verkiiüptiingsgliedcr. gemäß dem Ober begrifl des Patentanspruchs ! fm Beispiel fur iK-Anwendung eines solchen Verknüpfungsglied^· bilden Datenverarbeitungsanlagen

Man ist seit langem hcmuhi. den /viiHii!w,init bei .Schaltoperationen /11 senker und die Packungsdichte von Schaltkreisen zu erhöhen, um die Ausführung einer größeren Anzahl von Sehaltoperationen in einem bestimmten Zeitintervall bei kleinerem Platzbedarf für die Schaltkreise zu ermöglichen. Zum Stand der Technik Josephson-Kontakf-Speicherelemente. die diesen Anforderungen genügen, und es ist deshalb wichtig, über logische Schaltungen iv verfugen, die in der gleichen Technologie hergestellt werden können

65 Die bisher vorgeschlagenen Schalteranordnungen in Josephson-Kontakt-Technologie haben den entscheidenden Njchteil, nicht automatisch rückstellend zu sein und daher für die Rückstelloperationen zusätzliche Schalter zu benötigen. Das ist kein technisches Problem, aber die Wirtschaftlichkeit von Vorrichtungen mit Schaiteranordnungen gemäß dem Stande der Technik wird naturgemäß durch die langen Zykluszeiten beeinträchtigt.

Beispiele für logische Schaltungen in Josephson-Kontakt-Technologie gemäß dem Stande der Technik sind im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 7. No. 3. August 1964, Seite 271, Artikel von M. F. Merriam. und Vol. 15, No. 5. Okt. 1972. S. 1528, beschrieben. Ein Josephson-Speicher ist im schweizer Patent 4 8b Ü95 offenbart. Weitere Literaturstellen von Interesse im Zusammenhang mit der hiernach zu beschreibenden Erfindung sind zwei Artikel von D. E. McCumber. die im Journ. Appl. Phys_ Vol. 34. No. 6. Mai 1%8. pp. 2503 bis 2508. und Vol. 39. No. 7. Juni 1968. np. 3113 bis 3118. veröffentlicht sind, sowie das Bucl. »Superconductive Tunneling and Applications« von L Solymar. Verlag Chapman and Hall Ltd.. London 1972.

Die vorliegende Erfindung hat sich dementspr ehend die Aufgabe gestellt, selbst-rückstellende VerKnüp· fungssc;;altungen unter Verwendung von Josephson Kontakten anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentansoruch 1 angegebene Erfindung gelost

Die Vorteile dieser Erfindung bestehen insbesondere darin daß zur Rückstellung der Verknüpfungselemente keine besonderen Schalter und Unterbrechungen des Arbeitsstroms notwendig sind und daß dadurch auch umfangreichere Verknupfungssehallungen ohne großen Aufwand realisiert werder können. Weitere Vorteile sind die Flexibilität des Schaliimasaufbaus infoige der Kombination \on selbsi nuksiellendcn Josephson Kontakten mit Schaltkreisen die eine reversible Stronuiimerteilung gesutu-'i du hohe Schaltgesohwm digkeit der ViTkniiptiiii^^lieilcr um! die relam einlache Herstellung mi' Methoden der Dunns».nicht tecnnik.

1 inzclneiten der f.rliruliinf.¹ werden hierr.in.h mn Bezug auf in den Zeichnungen tiargestellte ^evor/iigte Ausführungsbeispiele erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

F'ig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten |osephsonKontakt VerknupfungsfHiedes.

F ig 2 eine Steuerkennlinie eines Josephson-Kon takts.

F 1 g 3 eine Siron. Spannungs- Kennlinie.

Fig4 eine Strom Spannimgs-Kennlinie fur eirv.n spezifischen Ausgangskreis eines Verknüpfungsgliedes

Fi(j. ί ein Blockschaltbild eines losephson-Kontak Verkniipfungseliedes mti einer induktiven Schleif«.

Fit· ft und " (ten vromnherpang in einer induktiv Schlei'-·.

i it· Hein Schaltbild cncs ('ND-Ciliedes.

I 'g *t ein Schaltbild fines weiteren UND (ilied-'v

fig 10 ein Schallbild cnes ODER-Gliedes.

f-1 g. 11 ein Schaltbild eines N ICHT'-Gliedes,

Fig. 12 eine Zusammenstellung von Gl'iiciiungen. auf die die Beschreibung Bezug nimmt.

Die Josephson-Kontakt-Verknüpfungsglieder der vorliegenden Erfindung benutzen zwei voneinander unabhängige Prinzipien für die Steuerung ihres Verhaltens. (Jm diese Prinzipien leichter verständlich zu machen und um dem Fachmann für die Ausführung der