DE2448050A1

DE2448050A1 - Josephson-verknuepfungsglied mit mehrfachsteuerleitungen

Info

Publication number: DE2448050A1
Application number: DE19742448050
Authority: DE
Inventors: Dennis James Herrell
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1975-05-07
Also published as: US3848259A; NL7414137A; JPS5075792A; JPS5622388B2; FR2249449B1; CA1023871A; FR2249449A1; GB1441510A; DE2448050C2; IT1020149B

Description

Josephson-yerknüpfungsglied mit Mehrfachsteuerleitungen

Die Erfindung betrifft ein logisches Verknüpfungsglied nach dem Oberbegriff von Anspruch 1,

Eine ausführliche Darstellung der physikalischen Grundlagen und der anwendung des Josephson-Effekts finden sich in dem Artikel "Josephson-Type Superconductive Tunnel Junctions and Applications" von Juri Matisoo in IEEE Transactions on Magnetics, Band Mag-5, Nr. 4_f Dezeiaber 1969, Seiten 848 bis 873. Josephson-Elemente und insbesondere Josephson-Kontakte mit Oxidschichten, in denen ein Tunneleffekt stattfindet, wurden schon für Schalt- und Verknüpfungskreise vorgeschlagen und experimentell nachgeprüft. Die Anwendungen für Schalt- und Logikzwecke beruhen hauptsächlich auf der Magnetfeldabhängigkeit des maximalen Josphson-Superstro^{mas 1}HaX' ^{der ln} einem Josephson-Kontakt fließen kann. Bezeichnet man den Arbeitsstrom durch einen Kontakt mit I und ist das angelegte Magnetfeld H = H₁ so gewählt, daß I„ < i*_ , _so be

y 4|

findet sich der Kontakt in seinem supraleitenden Zustand und der angelegte Strom I^ erzeugt keinen Gleichstromspannungsabfall über dem Kontakt, Beim Erhöhen des Magnetfelds auf einen Wert H ik d

sinkt der Wert von I so

max

^daß

^Kontakt

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ORIGINAL INSPECTED

ehaltet dabei in einen nicht supraleitenden Zustand um und erzeugt damit einen Spannungsabfall, der üblicherweise mit ν = 2L· bezeichnet wird. In einem parallel zum Josephson-Kontakt liegenden Ausgangskreis fließt dementsprechend kein Strom, wenn der Kontakt sich in seinem Zustand mit ν = 0 befindet, wohl aber fließt ein endlicher Strom, wenn der Kontakt den Zustand ν = 2 Δ einnimmt.

Das Diagramm I als Funktion von H wird als Verstärkungskurve

³ maK
bezeichnet. Zwei derartige Verstärkungskurven sind in den Fign. 13 und 18 des zitierten Artikels gezeigt. Beide Kurven gelten für nichtlineare Josephson-Kontakte. Ein nichtlinearer Josephson-Kontakt ist durch λ. << L gekennzeichnet, wobei λ. die -Josephson-Eindringtiefe bedeutet und L die in Richtung des Stromflusses durch den Kontakt gemessene Länge des Kontakts angibt. Beide Parameter können bekanntlich innerhalb gewisser Grenzen frei gewählt werden.

Die Kurvenzüge der Fign. 13 und 14 des genannten Artikels sind in den Fign, 1 und 2 der vorliegenden Anmeldung teilweise wiedergegeben. In beiden Figuren wurden die Linie I und die Punkte

H₁, Hg zur Erläuterung des obenerwähnten ümschaltvorganges hinzugefügt. Bei einem Arbeitsstrom I und einem Magnetfeld H₁ ist der Arbeitsstrom kleiner als I _ax (Punkt 10) und der Kontakt befindet sich infolgedessen in dem Zustand mit ν = 0. Wird nun das Magnetfeld auf einen Wert H₂ erhöht, so übersteigt der Arbeitsstrom den kritischen strom ι „ (Punkt 12) und der Kontakt schaltet in den Zustand ν = 2 Δ um.

Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, zum Anlegen eines Magnetfeldes an einen Josephson-Kontakt eine supraleitende Steuerleitung auf einem isolator anzubringen, der über dem Josephson-Kon takt liegt und den Strom I in der Steuerleitung zu verändern, um damit in entsprechendem Maße das angelegte Magnetfeld zu steuern. Bei der Anwendung für Schalt- und Logikzwecke wird der Strom I_c normalerweise nur zwischen zwei bestimmten Werten verändert, beispielsweise zwischen Null und I ,

^C1

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Für logische Anwendungen, beispielsweise die Realisierung der Funktionen UND und ODER, ist die Verwendung von Mehrfachsteuerleitungen vorgeschlagen worden, wobei für jeden logischen Eingang eine Steuerleitung vorgesehen ist; an jede Steuerleitung werden hierbei Ströme der Wert 0 und I angelegt, um damit

^C1 die beiden logischen Zustände darzustellen.

Kontakte mit einer unsymmetrischen Verstärkungskurve wie in Fig. 2 haben sich für logische Anwendungen als besonders vorteilhaft herausgestellt. Ein einziges Josephson-Element mit dieser Eigenschaft kann zur Realisierung von verschiedenen logischen Funktionen herangezogen werden.

Bei der Herstellung und der Verwendung von Logikkreisen mit Josephs on-Elementen ha,t sich nun äas Problem ergeben, daß der Einbau von Mehrfach-Steuerleitungen zu einer Verzerrung der Verstärkungskurve führt. Außerdem hat man festgestellt, daß ein Steuerstrom, der an eine Steuerleitung angelegt wird, auf das logische Verknüpfungsglied verschieden wirkt, je nachdem, an welche der einzelnen Steuerleitungen der Stromimpuls angelegt wird, obwohl alle Steuerleitungen über demselben Josphson-Kontakt angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung stellt sich dementsprechend die Aufgabe, einen Josephson-Kontakt mit Mehrfach-Steuerleitungen anzugeben, bei dem gleiche Steuerimpulse zu gleichem Umschaltverhalten des Kontakts führen, unabhängig davon, an welche der verschiedenen Steuerleitungen sie angelegt werden. Außerdem soll für derartige Kontakte die Verstärkungskurve die gleiche sein wie bei einem Kontakt mit nur einer Steuerleitung.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst, Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die hier beschrieben Erfindung geht von der Beobachtung aus,

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daß das iJchaltverhalten eines Kontakts unter anderem durch die Abschirmstrüme. bestimmt wird, die von den Hagnet feldern der Steuerleitungen in dem Kontakt hervorgerufen werden. Die Abschirmströme sind eine Folge der diamagnetischen Eigenschaften der Supraleiter, Die nach der Aufgabenstellung gewünschte Eigenschaft der Josephson-Konakte läßt sich nun erreichen, wenn die Verteilung der Auschirmströme und die Verteilung des Arbeitsstroraes in dem Kontakt ira wesentlichen in einem Verhältnis 1:1 stehen. Dies läßt sich mit hilfe einer besonderen Formgebung der Kontaktelektroden erreichen.

Josphson-Kontakte der geschilderten Art werden mit Vorteil in komplexen logischen Schaltungen eingesetzt; durch das homogene Verhalten der einzelnen Steuerleitungen entfallen dabei spezielle Vorsichtsmaßnahmen und Kompensationseinrichtungen_f die bei herkömmlichen Kontakten mit Mehrfachsteuerleitungen notwendig sind,

Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Beispiels beschrieben.

Es zeigen;

Fig. 1 die Darstellung einer symmetrischen Verstärkungskurve für einen Josephson-Kontakt,

Pig· ² eine asymmetrische Verstärkungskruve für einen

Kontakt,

^Fig« 3 die perspektivische Darstellung eines Josephson-

Kontakts in einem Prüfkreis zur Untersuchung der Auswirkungen von Strompfadänderungen auf die Verstärkungskurve,

Fign, 4A-4D Verstärkungskurven, die mittels des Prüfkreises von Fig, 3 erhalten wurden,

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Fig. 5 eine vergrößerte Perspektxvdarstellung eines

Josephson-Kontaks. Anhand dieser Zeichnung wird das Fließen des Arbeitsstromes und der Abschirmströme in einem Josphson-Kontakt erläutert,

Fig. 6 die Perspektxvdarstellung eines Supraleiters;

sie dient zur Erläuterung des Stromflusses in einem Supraleiter ohne Grundplatte,

Fign, 7A + 7B ein Paar von Supraleitern mit Blickrichtung von

oben bzw. von unten. Diese Figuren veranschaulichen die Auswirkung einer Grundplatte auf den Stromfluß und das Auftreten von Abschirmströmen,

Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Teil der Fig. 5;

sie veranschaulicht, wie der Abschirmstrom den Arbeitsstrom durch den Kontakt entweder verstärkt oder abschwächt,

Fign, 9+10 Aufsichten auf supraleitende Schichten? sie

zeigen die charakterist L.au en Eigenschaften der vorliegenden Erfindung,

Fign, 11 A, B + C einen Josephson-Kontakt von oben, von der Seite

und von unten; sie stellen eines Merkmale der vorliegenden Erfindung dar,

Fig. 12 einen Längsschnitt eines Josephson-Kontakts; diese Figur stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung dar,

icf· 13 die Perspektxvdarstellung eines Josephson-Kontakts mit einer hinzugefügten supraleitenden Schicht,

· ¹⁴ eine Aufsicht eines Josephson-Kontakts mit den

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Merkmalen der Fign. 10, 11 und 12.

Vor der eigentlichen Beschreibung der Erfindung soll anhand eines Beispiels betrachtet werden, welchen Einfluß die Geometrie der Steuerstrompfade und der Arbeitsstrompfade auf die Verstärkungskurve ausüben. Außerdem wird der Einfluß der Steuerströme auf die Ve rs ta rkun g a kurve untersucht. L'ine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird am Beispiel eines Logikkreises mit Josephson-Kontakten getrachtet, welche Mehrfachsteuerleitungen und eine asymmetriscue Verstärkungskurve besitzen. Die Erfindung ist jedocxi in keiner Weise auf derartige Kontakte mit asymmetrischen Verstärkungskurven und auch nicht auf die sogenannten inline-Konfigurationen der betrachteten Art beschränkt.

Die Fign, 1 und 2 wurden schon besprochen, Liine genauere Krläuterung der Tueorie dieser Diagramme wird in dem genannten Artikel von Matisoo gegeben. Dort wird auch erklärt, daß asymmetrische Kurven bei der Verwendung einer Grundplatte auftreten. Dieser Punkt wird im folgenden noch näher erläutert.

In Fig. 3 ist der verwendete Prüfkreis dargestellt. Die Verstärkungskurven, die sich ergeben, wenn die Pfade des Steuerstromes I und des Arbeitsstromes I verändert werden, sind in den Fign, 4A bis 4C wiedergegeben. Der Schaltkreis der Fig. 3 umfaßt eine supraleitende Grundplatte 14, welche als 111-Schicht bezeichnet ist, (da sie die erste oder Grundschicht des Schaltkreises ist), eine mit i»i2 bezeichnete supraleitende Schicht 16, die von M1 durch einen nicht gezeigten Isolator getrennt ist, eine mit M3 bezeichnete supraleitende Schicht 18, die ebenfalls von M1 durch einen nicht gezeigten Isolator getrennt ist und schließlich die mit 114 bezeichnetensupraleitendenSchichten22 und 24, welche über der Kontaktschicht 20 liegen und von M1, M2 und M3 durch einen nicht gezeigten Isolator getrennt sind.

Der Josephson-Tunnelkontakt 20 umfaßt die sich überlappenden Teile der Schichten 18 und 16, die die Elektroden des Kontakts dar-

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stellen und außerdem eine dazwischenliegende Tunnelgrenzschicht, typischerweise ein Oxid von ungefähr 10 bis 50 A* Dicke. Die Verstärkungskurven der Fign. 4A bis 4D wurden mit dem Kontakt nach Fig. 3 erhalten. Die Unterschiede zwischen den vier Verstärkungskurven ergeben sich durch das Anlegen des ArbeitsStroms oder des Steuerstroms an verschiedene Pfade.

Die Verstärkungskurve nach Fig. 4A wurde erhalten, indem der Arbeitsstrom I zwischen den Endpunkten A der Schicht 16 und D der Schicht 18 angelegt wurde, der Steuerstrom I jedoch nur in Schicht 24. Zur Aufnahme der Fig. 4B wurde I zwischen den Punkten A und D und I nur an Schicht 22 angelegt. In Fig. 4C

lag I zwischen den Punkten B und C, der Strom I floß nur durch g c

Schicht 24,'Fig. 4C wurde durch Anlegen von I an die Punkte B und C und von ϊ nur an Schicht 22 erhalten»

Zur qualitativen Erläuterung des Einflusses der Geometrie der Supraleiter auf die Verstärkungskurve sei nun der in Fig. 5 gezeigte Kontakt herangezogen. Es handelt sich bei diesem Beispiel um einen nichtlinearen Josephson-Tunnelkontakt des Typs "in-line" (d,h, die Steuerleitungen liegen parallel zu den Streifenelektroden), Der Kontakt ist aus den supraleitenden Schichten 26, 28, 30, 32 und 34 aufgebaut. Der besseren Anschaulichkeit halber ist der Kontakt vergrößert und auseinandergezogen dargestellt. In Wirklichkeit sind die supraleitenden Schichten jedoch nur durch nicht gezeichnete Isolationsschichten voneinander getrennt. Eine Ausnahme hiervon bildet die M3-Schicht 30 und die M2-Schicht 28, welche im Bereich des Tunnelkontakts 38 nur durch eine ungefähr 50 A* dicke Tunnelgrenzschicht 36 getrennt sind. Der Arbeitsstrom wird an die Schichten M3 und M2 angelegt und fließt durch den Kontakt, Erreicht die Stromdichte durch den Kontakt die Josephson-Stromdichte I. oder übersteigt sie diese, so schaltet der Kontakt vom Zustand ν = O in den Zustand ν = 2Δ,

Die Stromdichte wird nicht nur durch den angelegten Arbeitsstrom

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bestimmt, sondern auch durch das Magnetfeld, das den Tunnelkontakt durchsetzt. In Fig. 6 läßt sich ein Strom I, der durch einen Supraleiter 54 fixe/it, analog zu Elektronen in einer leitenden Platte vorstellen. Diese stoßen einander ab und die Elektronen bewegen sich hauptsächlich in der Nähe von einander gegenüberliegenden Kanten der Platte. Die Stromlinien in einem Supraleiter verhalten sich in ähnlicher Weise, Die gestrichelten Linien in Fig. 6 zeigen, wie der Stromfluj3 in einem Supraleiter 54 auf die Kanten 50 und 52 begrenzt ist.

Wird jedoch ein zweiter Supraleiter in der Nähe des stromführenden ersten Supraleiters angebracht, so verteilt sich der Strom in diesem im wesentlichen gleichmäßig über eine dünne Hautschicht auf seiner Unterseite. Dieser Sachverhalt ist in den Fign. 7A und 7B dargestellt, welche zwei Ansichten desselben Clements vermitteln. Die Fig, 7A zeigt eine perspektivische Darstellung von einem Blickpunkt unter den Supraleitern 60 und 62 _f Fig_t 7B ist eine Aufsicht auf dieselben beiden Supraleiter. Die Kanten des Supraleiters 60 sind in beiden Figuren mit A, B, C und D gekennzeichnet, um übereinstimmende Teile in beiden Figuren besser hervortreten zu lassen.

Wird ein Strom I an den Supraleiter 62 angelegt, so verteilt sich infolge der Anwesenheit von Supraleiter 60 der angelegte Strom I gleichmäßig in der Oberflächenschicht auf der Unterseite des Supraleiters 62; dies ist durch die gestrichelten Stromlinien längs der Unterseite von 6 2 in Fig, 7A dargestellt Außerdem ruft der an den Supraleiter 6 2 angelegte Strom oder genauer dessen Magnetfeld einen Abschirmstrom i hervor, der dann in der Oberflächenschicht des Supraleiters 60 fließt. Diese Erscheinung ist der diamagnetischen Eigenschaft eines Supraleiters in kleinen Feldern zuzuschreiben. Der Supraleiter baut einen zirkulierenden Abschirmstrom zur Abschirmung des Magnetfeldes auf und erhält somit den Wert 0 für sein inneres Magnetfeld,

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-s-

Der Aoschirmstrom ist in der nach oben weisenden Oberfläche des Supraleiters 60 auf ein Gebiet beschränkt, welches im wesentlichen gleich der nach unten weisenden Oberfläche des Supraleiter 62 ist; der Strom in diesem Gebiet fließt entgegengesetzt zum angelegten Strom im Supraleiter 62. Dieser Strom fließt über die Kante, entlang der nach unten weisenden Oberfläche und zurück über die andere Kante und bildet somit eine geschlossene Schleife. Auf der Unterseite des Supraleiters 60 verteilt sich der Strom gleichmäßig über die Oberfläche,

Anhand der Pig, 5 kann nun erklärt werden, weshalb die Grundplatte und die entstehenden Abschirraströme einen Kontakt mit einer asymmetrischen Verstärkungskurve ähnlich der in Fig. 2 ergeben. Hierbei wird angenommen, daß nur ein einziger Steuersupraleiter 32 vorhanden ist (d,h. der Steuerleiter 34 ist . weggelassen)_f dessen Breite gleich oder größer ist als die Schicht 28,

Der Arbeitsstrom I fließt zwischen den Punkten A und B längs des folgenden Pfades; Gleichmäßig verteilt längs der ünterflache von M3 vom Punkt A nach C¹; durch den Tunnelkontakt in deiche der Kante C zur Kante C' ' auf der Unterfläche von I-I2; gleichmäßig verteilt längs der Unterfläche der Schicht ΓΙ2 von c¹ ' nach B, Da es sich wie gesagt um einen nichtlinearen Kontakt handelt, d,h, X^ « L, fließt der bei C¹ in den Kontakt'eintretende Superstrom hauptsächlich in der wähe der Kante C durch die Tunnelgrenzschicht. Außerdem wird hier angenommen, daß die Geometrie von M3 und M2 die gleichmäßige verteilung des Stromes I_g längs der Breite W beim Durchgang durch den Tunnelkontakt in keiner Weise behindert,

Kine Darstellung,des Stromflusses I ist in Fig. 8, dem Querschnitt durch die Schichten 30, 28 und 36 enthalten. Bei nicht beaufschlagter Steuerleitung 32 ist das äußere Magnetfeld null und der zum Umschalten des Kontakts benötigte Arbeitsstrom ist

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soll ein positiver Steuerstrom +1 an die einzelne Steuer-

leitung 32 angelegt v/erden (ein Steuerstrom mit gleicher Richtung wie I v/ird als positiver Steuerstrom gezählt). Wie beschrieben ruft der Steuerstrom einen Abschirmstrom in M3 und M2 hervor. Ist die Schicht 32 mindestens so breit wie die breitere der Schichten M2 und M3, so verteilt sich der Abschirmstrom gleichmäßig über die Breite von M2 und M3_f während er entlang deren obere und untere Oberflächen fiiei3t. Der Fluß des Abschirmstroms i , der von einem positiven I hervorgerufen wird, ist ebenfalls in Fig. 8 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Abschirmstrom und der Arbeitsstrom in gleiche Pachtung durch den Tunnelkontakt längs der Kante C fließen. Folglich wird die Josephson-Stromdichte j bei einem kleineren Wert I erreicht als es der Fall ist, wenn

I gleich null, d,h. wenn kein Abschirmstrom fließt, der dxe Wir-

kung von I verstärkt. Für einen Steuerstrom +1 ist damit der g ,c

Arbeitsstrom, der zum umschalten des Kontakts benötigt wird gleich

I , , wobei I₁ ^KI 9^+r 9+ g₀.

Bei einem negativen Steuerstrom -I wirkt der Abschirmstrom dem Arbeitsstrom entgegen, der den Kontakt längs der Kante C durchfließt. Um die Josephson-Stromdichte zu erreichen, wird somit ein größerer Wert von I genötigt. Der zum Umschalten des Kontakts erforderliche Wert von I ist dann I , wobei I > I .

g g- g- g₀

Innerhalb gewisser Grenzen führt das /anwachsen eines positiven I zu einer Verringerung von I _ . und umgekehrt ein Anwachsen

des negativen I zu einer Vergrößerung von I , Es ergibt sich c max

dann die relativ glatte Verstarkungskurve von Fig. 2, welche bezüglich H=O, I=O asymmetrisch ist. (Ersichtlich kann auf der Abzisse entweder H oder I aufgetragen werden, um die Verstarkungskurve zu erhalten,)

Anders liegen die Verhältnisse, wenn der Arbeitsstrom längs der Breite W anders verteilt ist als der Abschirmstrom; in diesem Fall ergibt sich keixi gleichmäßiges Anwachsen oder Abnehmen der Verstarkungskurve. Im obigen Beispiel sind beide Ströme gleichmäßig längs der Breite verteilt, wenn sie durch den Tunnelkontakt j

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fließen. Diese Gleichvertexlung über die breite wird als 1:1-Verteilungsverhältnis des Arbeitsstroms zum Abschirrastrom bezeichnet, Bei fehlender Grundplatte und bei einer Verteilung des Arbeitsstromes zur Hälfte auf die eine und zur anderen Hälfte auf die andere Kante, wie es in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde, müßte sich der Abschirmstrom in genau der gleichen Weise verteilen, damit sich ein 1;1-Verteilungsverhältnis zwischen dem Abschirrt;- und dem Arbeitsstrom ergäbe.

Anhand der Fig. 5 ist nun leicht zu sehen, daß der übergang von einem Josephson-Kontakt mit einer einzelnen Cteuerleitung und einer asymmetrischen Verstärkungskurve zu einen Josephson-Kontakt mit Mehrfachsteuerleitung und einer asymmetrischen Verstärkungskurve sich nicht darauf beschränken kann, einfach zusätzliche Steuerleitungen anzubringen. Jede der beiden Steuer-Leitungen 32 und 34 ist weniger'breit als die Supraleiter 30' and 28, Damit werden die Abschirmströme auf der nach oben gerichteten Oberfläche der Supraleiter 2 8 und 30 auf eine Breite beschränkt, die enger ist als w. Dies führt zu einer Verzerrung der Verstärkungs'kurve.

lin logisches Verknüpfungsglied mit Mehrfachsteuerleitungen, bei denen ein Stromfluß in einer beliebigen Steuerleitung dieselbe Auswirkung auf das Verknüpfungselement hat wie ein gleicher Strom in einer beliebigen anderen Steuerleitung läßt sich herstellen, wenn die Geometrie des Kontakts so geändert wird, daß sich ein 1:1-Verteilungsverhältnis als Funktion der Breite für den Arbeite- und den Steuerstrom ergibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl der Abschirmstrom als auch der Arbeitsstrom gleichmäßig über die Breite des Tunnelkontakts verteilt. Es ist jedoch hervorzuheben, daß die Erfindung nicht auf derartige gleichmäßige Verteilungen längs der Breite beschränkt ist.

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Ein Josephson-Tunnelkontakt besitzt im wesentlichen zwei Eigenschaften, welche die gleichförmige Verteilung des Arbeits- und des Steuerstromes beeinträchtigen. Das erste betrifft die Gestalt der Supraleiter in der Nähe des Kontakts, wobei die Ausgestaltung der Breite des Kontakts ausschlaggebend ist. Das zweite Merkmal betrifft die Breite des Abschirmstroms, der von den angelegten äußeren Magnetfeldern hervorgerufen wird.

Der Einfluß der Elektrodenform und -breite auf die Stromverteilung ist in Fig. 9 dargestellt. Die supraleitende Schicht M3 besteht aus einem relativ engen Teil der sich zu einem breiten Teil aufweitet. Letzterer besitzt eine Breite, welche gleich der Breite des Kontakts 90 ist. Der Strom Z verteilt sich entsprechend den in der Figur angegebenen Pfeile* Die Frage, ob der Strom beim Durchgang durch den Tunnelkontakt gleichförmig über die Breite W. verteilt ist, hängt von der Länge 1. (dem Abstand des engen Teils von dem Kontakt) und der größeren der Entfernungen W₁ und W₂ ab. Ist W₂ größer, so ist dieser Abstand notwendigerweise der bestimmende Faktor, Man hat festgestellt, daß sich eine genügend gleichförmige Verteilung einstellt, wenn die Länge des breiten Elektronenteile (mit einer Breite W. oder größer) mindestens gleich dem Abstand (in Richtung der Breite gemessen) des engen Teils von der am weitesten entfernt liegenden Kante des Tunnelkontakte ist. Die Elektrode M3 wird also dann eine gleichförmige Verteilung ergeben, wenn gilt« I₁ 1 W₂ und I₁ £ W₁. Der Supraleiter M2 ergibt dann eine ausreichend gleichförmige Stromverteilung, wenn I₂ j> W₃ und I₂ >_ W₄. In Fig. 10_r welche eine verschiedene Ausgestaltung von M₃ darstellt, ergibt die Schicht M3 eine ausreichend gleichförmige Stromverteilung wenn I₁ £ W₅, In beiden Figuren 9 und 10 wird vorausgesetzt, daß eine Grundplatte vorhanden ist.

Das zweite obenerwähnte Merkmal, welches die Stromverteilung beeinflußt, ist die Breite des Abschirmstroms, der von den angelegten äußeren Magnetfeldern hervorgerufen wird. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Magnetfelder durch

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Ströme in Steuerleitungen erzeugt, welche zu den Supraleitern des Tunnelkontakts benachbart angeordnet sind. In diesem Fall betrifft das besprochene zweite Merkmal die Breite der Steuerleitungen. Das Problem von nicht gleichförmigen Stromverteilungen, das durch relativ enge Steuerleitungen hervorgerufen wird, läßt sich durch eine andere Formgebung der Supraleiter M2 und M3 lösen, welche den Kontakt aufbauen; hierdurch wird erreicht, daß die Abschirmströme, die als Folge der Ströme in den Steuerleitungen erzeugt werden, in dem Tunnelkontakt gleichmäßig verteilt sind.

Die Fign. 11A, 11B und 11C zeigen die M₀- und M -Schichten in Ansichten von oben, von der Seite und von unten. Die Einschnürung des Abschirmstromes auf die Breite W wird von einem äußeren

Magnetfeld hervorgerufen_f da.s über des Breite W angelegt ist. Dieses Magnetfeld kann von einem Strom hervorgerufen sein, welcher durch eine Steuerleitung mit einer Breite von ungefähr W_q fließt. In allen drei Figuren ist der Abschirmstrom durch gestrichelte Linien dargestellt. Der Abschirmstrom, der in der nach oben weisenden Oberfläche fließt (Fig, 11A), ist auf eine Breite beschränkt, die ungefähr gleich ist der Breite W der Steuerleitung, Wenn der Abschirinstrom über die Kanten von M₂ und M₃ und längs der nach unten weisenden Oberfläche fließt (Fig, 11C), ist seine Begrenzung nicht mehr scharf und er verteilt sich in der angegebenen Weise,

Der Abschirmstrom fließt längs der Kanten A und B durch den Tunnelkontakt (Fig, 11B), Aus Fig. 11C ist ersichtlich, daß der Strom, der durch die Kante B fließt, dann gleichförmig verteilt ist, wenn I^ >_ W₁ und I₃ £ W₃. Solange also die Strompfade des Abschirmstromes auf beiden Seiten der Kontaktkante B ausreichend lang sind und nicht der Steuerleitung gegenüberliegen, wird der Abschirmstrom gleichförmig verteilt sein.

Der durch die Kante A des Tunnelkontakts fließende Abschirmstrom ist auf die Breite W beschränkt. Es ist jedoch möglich,

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den vom Abscnirmstrom durchflossenen supraleitenden Pfad so zu gestalten, daß der weg des Abschirmstroms in der Nähe aes Tunnelkontakts nicht mehr dem begrenzenden Einfluß des äußeren Magnetfelds unterliegt, so daß auch er beim Durchgang durch die Kante A gleichförmig verteilt ist. Dies kann erreicht werden, indem M₃ über einen Isolator I₂ ausgedehnt wird, der seinerseits über M₂ liegt. Eine Seitenansicht dieser Konfiguration ist in Fig, 12 gegeben. Der vom Abschirmstrom gefolgte Pfad ist wieder durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Kante A des Tunnelkontakts liegt nun benachbart zu supraleitenden Pfaden, welche nicht dem einschnürenden Einfluß des Abschirmstroms unterworfen sind, der vom Magnetfeld der Steuerleitung erzeugt wird. Die Deckfläche von M2 wird infolge der Erweiterung des Supraleiters M_ von dem Magnetfeld abgeschirmt. Die Unterseite des verlängerten Teils vom Supraleiter M₃ ist ebenfalls nicht dem einschnürenden kinfluß des Magnetfeldes unterworfen, unter der Annahme, daß die Verlängerung von M, eine Länge 1 besitzt, daß ihre Breite gleich oder größer ist als Vi. unci daß alle anderen Dimensionen entsprechend Fig, HC gewählt sind, verteilt sich der Abschirmstrom gleichförmig über die Kante A, wenn die Bedingung 1 >__ W. gewahrt ist.

Aus den im Zusammenhang mit Fig, 11 genannten Gründen wird sich der Abschirmstrom ebenfalls gleichförmig über die Kante B verteilen, Hier ist jedoch zu beachten, daß die Oberseite von M₂ nicht mehr dem einschnürenden Einfluß des von der Steuerleitung hervorgerufenen Abs chirms tr oxnes ausgesetzt ist und daß damit M₂ auch nicht der Bedingung I₁ j> W- genügen muß. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn auch M₂ auf die linke Seite ausgedehnt uiid damit die Geometrie des Kontaktes symmetrisch gemacht wird. In diesem Fall braucht der Tunnelkontakt nicht auf einer Kante ausgebildet zu werden, wodurch sich die Herstellung eines guten Tunnelkontakts vereinfacht.

andere als die in Zusammenhang mit Fig, 11 besprochene Möglichkeit besteht darin, eine zusätzliche supraleitende Schicht

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und eine zusätzliche Isolierschicht zwischen den Schichten u , M₃ des Kontakts und der Erzeugungseinrichtung für das Magnetfeld, d.h. die Steuerleitung M. anzubringen. Diese Lösung ist in Fig. 13 dargestellt, worin die !^-Schicht 110 und die H -Schicht 112 durch eine zusätzliche supraleitende Schicht 118 von den Steuerleitungen 114 und 116 getrennt sind, zwischen allen supraleitenden Schichten befinden sich außer an den Kontaktpunkten und beim Josephson-Tunnelkontakt die bekannten Isolationsschichten, die hier nicht gezeichnet sind. Bei dieser Anordnung erzeugen die Ströme durch die engen Steuerleiter 114 und 118. Magnetfelder, die ihrerseits Abschirmströme in der Schicht 118 hervorrufen. Diese Abschirmströme sind in der Oberseite äer Schicht 118 in ihrer Ausdehnung begrenzt, auf der Unterseite von Schicht 118 können sie sich jedoch ausbreiten. Die Abschirmströme in 118 rufen ihrerseits in den Schichten M₂ und M Abschirmströme hervor. Die Abschirmströme in M₂ und M₃ sind nun aber nicht mehr auf die beschränkte Breite der Steuerleitungen 114 und 116 eingeschnürt.

Ein spezielles Beispiel eines logischen Josephson-Tunnelverknüpfungsgliedes mit drei Eingängen (drei Steuerleitungen) und den obenerwähnten Eigenschaften ist in Fig. 14 gegeben. Seine Schichten sind in Übereinstimmung mit der obigen Erklärung mit M₂, M₃, M₄ und I₂ bezeichnet. Eine nicht gezeichnete Grundplatte liegt unter der gesamten Struktur. Die Dimensionen sind in tausendstel Zoll (mils) angegeben. Nach der Darstellung in äer Figur ragt die Schicht M₃ 6 mils über die Kante des Tunnelontakts hinaus. Die Isolierschicht I₂ trennt M₂ von M , außer U Bereich des Tunnelkontakts. Die Schichten M₄ und M (Grundplatte) sind von den anderen supraleitenden Schichten durch zusätzliche Isolierschichten herkömmlicher Bauart getrennt.

Ün nach der oben angegebenen Geometrie und entsprechend den bekannten Herstellungsmethoden gebautes Element, das parallel zu einem Widerstand R = 0,4 Ohm liegt, besitzt die folgenden Parameter«

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λ . = Josephson-Eindringtiefe = 1 mil; L/x. = 3 (d.h. nichtlinearer Kontakt);

j 2

j = Josephson-Stromdichte = 250 A/cm ;

I = maximaler Josephson-Strom im Magnetfeld 0 ° = 17,5 mA.

Bei einem Arbeitsstrom von I = 14,8 mA und einem Strom in der Steuerleitung von 7,2 mA schaltet das Element in den Zustand V ? 0 um und erzeugt damit einen Ausgangsstrom von I . =7,2 mA.

Die Formgebung der Schichten M₂ und M entsprechend Fig. 14 erlaubt eine 1:1-Verteilung des Arbeits- und der Abschirmströme durch den Kontakt. Die Schicht M₂ umfaßt drei Teile (die zwar zusammenhangen, jedoch zum Zweck der Beschreibung individuelle Bezeichnungen tragen). Der erste Teil, 122 bildet eine Elektrode des Tunnelkontakts 120. Der zweite Teil 124 liegt benachbart zum ersten und stellt ein Rechteck dar. Der dritte Teil, 126 besitzt in Querrichtung zum Stromfluß eine geringere Breite als der zweite Teil und geht in relativ großer Entfernung vom Tunnelkontakt in den zweiten Teil 124 über. Der rechteckige Teil besitzt eine Breite (6,5 mils), die mindestens ebensogroß ist wie die Breite (6 mils) des Kontakts. Weiterhin ist der Abstand (8 mils) des Vereinigungspunktes 128 der Teile 126 und 124 mindestens ebensogroß wie der in Breitenrichtung gemessene Abstand dieses Punktes 128 von der am weitesten entfernt liegenden Ecke des Rechtecks (6,5 mils).

Die Schicht M₃ besteht aus drei Teilen 130, 132, 136, welche ebenfalls entsprechend den oben beschriebenen Bedingungen gestaltet ist. Zur Schicht M₃ gehört außerdem ein Vorderteil 136, der in den ersten Teil, 130, übergeht und sich vom Kontakt in entgegengesetzter Richtung vom zweiten Teil 132 erstreckt. Der vierte Teil 136 liegt isoliert über dem rechteckigen Teil von Schicht M₂.

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Claims

._ ._ 241.8 Q 5 Q

TANSP rüche

Logisches Verknüpfungsglied mit einem josephson-Tunnel-Kontakt über einer supraleitenden Grundplatte, bestehend aus einer ersten und einer zweiten, durch eine dünne Isolierschicht voneinander getrennten supraleitenden Elektroden, vorzugsweise Streifenelektroden, zur Zuführung eines Arbeitsstromes und mindestens einer isoliert über dem Kontakt angeordneten Steuerleitung für SteuerStromimpulse, die induktiv mit dem Kontakt gekoppelt ist und ein Magnetfeld erzeugt, das seinerseits im Kontakt Abschirmströme hervorruft,

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (M₂, M₃, Fig. 14) des Kontakts verschieden breite Abschnitte (124, 126, 132, 134) aufweisen und daß Vorrichtungen (136) zur Verteilung der vom Magnetfeld induzierten Abschirmströme vorgesehen sind derart,daß die Abschirmströme im Kontakt genau dieselbe Stromverteilung besitzen wie der Arbeitsstrom durch den Kontakt.

2, Josephson-Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsstrom und der Abschirmstrom transversal zur Stromrichtung gleichmäßig im Kontakt verteilt sind,

3, Josephson-Kontakt nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Elektroden (M , M, Fig. 14) drei verschiedene Teilbereiche umfassen, nämlich einen ersten (122, bzw, 130) den Tunnelkontakt bildenden Teil, einen daran anschließenden zweiten Teil in Form eines Rechtecks (124, bzw, 132) und einen an das Rechteck anschließenden dritten Teil (126, bzw. 134), der bezüglich des Rechtecks eine quer zur Stromrichtung verminderte Breite aufweist und daß für die Abmessungen der Elektroden folgende Bedingungen gelten*

- die Breite des Rechtecks muß mindestens gleich der Breite des Tunnelkontakts sein,

- die Länge des Rechtecks, gemessen zwischen dem Tunnel-

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kontakt und dem sich verengenden dritten Teil darf nicht kleiner sein als der größere der beiden Abstände, die quer zur Stromrichtung zwischen den Begrenzungen des Tunnelkontakts und den Begrenzungen des eingeschnürten Teils gemessen werden (I₁ >_ W₁, I₁ >, W,; I₂ i_ W₃, I₂ ^ W₄ in Fig. 9 und I₁ >^ W₅ in Fig, 10).

4. Josephson-Kontakt nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einer oder mehreren Steuerleitungen (M₄), die parallel zum Josephson-Element angeordnet sind und deren Breite geringer ist als die Breite des Tunnelkontakts, dadurch gekennzeichnet, daß die direkt unter der Steuerleitung liegende erste Elektrode (M₃) über den Kontaktbereich des Josephson-Elements hinaus verlängert ist (136) und einen Teil der zweiten Elektrode (M₂) überdeckt, wobei zwischen dem verlängerten Teil der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Isolierschicht angebracht ist«

Josephson-Kontakt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden über den Kontaktbereich des Josephson-Elements hinaus verlängert sind,

, Josephson-Kontakt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die direkt unter den Steuerleitungen liegende Elektrode entsprechend Anspruch 3 geformt ist, während die direkt über der Grundplatte liegende zweite Elektrode eine nicht strukturierte Streifenelektrode darstellt.

7, Josephson-Kontakt nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit einer oder mehreren im Vergleich zu den Elektroden schmalen Steuerleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Steuerleitungen (114, 116; Fig. 13) und der ersten Elektrode (M₃) eine zusätzliche, von Steuerleitern und erster Elektrode isolierte supraleitende Schicht (118) angebracht ist,

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