DE2522703C3 - Josephson-Speicherzelle und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Josephson-Speicherzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Prinzip von Schaltungen, die auf dem Josephson-Effekt beruhen, ist im Stand der Technik wohlbekannt, wo derartige Schaltungen auch schon für Speicherzwekke vorgeschlagen wurden. So beschreibt beispielsweise die US-Patentschrift 36 26 391 eine Speichermatrix aus einer Vielzahl von Josephson-Kontakten, in der jede Speicherzelle aus zwei derartigen Josephson-Kontakten besteht Der Zustand jeder Speicherzelle wird durch die Richtung des Ringstromes in der Zelle bestimmt.

In zwei technischen Veröffentlichungen wird ein supraleitender Ring untersucht, in den ein Hindernis, wie beispielsweise ein Josephton-Kontakt eingebaut ist Das Verhalten von supraleitenden Ringen mit eingebauten schwachen Kopplungen beim Anlegen von äußeren Magnetfeldern wurde von F. B1 ο c h in der Veröffentlichung »Simple Interpretation of the Josephson-Effect« in Physical Review Letters, VoL 21, Nr. 17, Oktober 1968 auf Seite 241 beschrieben. Dort wird der Josephson-Effekt am Beispiel eines mit einem äußeren Magnetfeld gekoppelten supraleitenden Rings untersucht In einem weiteren Artikel (von D. E. McC u m b e r in Journal of Applied Physics, Vol. 39, Nr. 6, Mai 1968, Seite 2503) werden supraleitende Grenzschichten mit schwacher Kopplung und die Wirkung von Magnetfeldern auf diese Grenzschichten beschrieben. Auf Seite 2507 dieses Artikels beschreibt McCumber eine supraleitende Schleife mit einem einzigen Kontakt schwacher Kopplung und weist auf die mögliche Verwendung dieser Konfiguration als Speicherelement hin.

Im US-Patent 37 05 393 wird eine supraleitende Speichermatrix beschrieben, in der die Speicherzellen aus supraleitenden Ringen besteht, deren jeder mindestens ein Element enthält, das einen Josephson-Tunnel-Strom aufrechterhalten kann. In dem Patent werden Koinzidenzströme verwendet, um in den Ringen einen Magnetfluß einzufangen und um diesen eingefangenen

Fluß beim Auslesen der Speicherzellen wieder freizusetzen. Wenn diese Speicherzelle mit nur einem einzigen Rußquant betrieben wird, ergibt sich eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit, und die Ansteuerströme besitzen in diesem Fall vernünftige Toleranzgrenzen. Um einen Betrieb mit einem einzigen Flußquant zu erhalten, müssen die Kapazität, die Induktivität und die Dämpfung jeder Speicherzelle innerhalb gewisser Grenzen liegen.

Im Jahr 1970 beschrieb P. W. A η d e r s ο η in »Physics ίο Today«, VoI 23, Seite 29,1970 ein »Flußpendel« (»flux shuttle«), welches ein Schieberegister mit einem einzigen Flußschlauch (Vortex) darstellt Die ersten instrumentellen Ergebnisse an derartigen Flußpendeln wurden kürzlich von T. A. Fulton und L. N. Dunk el berger in »Applied Physics Letters«, Vol. 22, Seite 232 (1973) berichtet In den Einrichtungen der Veröffentlichungen und des zuletzt genannten Patents wird der Fluß entweder innerhalb kleiner supraleitender Induktivitäten in Form von Schleifen mit je einem Josephson-Kontakt gespeichert oder aber in einzelnen rechteckigen Kontakten, weiche dann ein äußeres Hilfs-Magneiield erfordern. Zum Auslesen wird das in den Matrizenleitungen während der Freigabe des eingeschlossenen Fluxoids (Flußquant) induzierte Signal abgefühlt Obwohl derartige Einrichtungen sehr hohe Packungsdichten ergeben können, liegt der Nachteil darin, daß die für das Auslesen freigesetzte Energie nur in der Größenordnung von 10~'⁸ Joule liegt Da außerdem die Herstellung der im Stand der Technik bekannten Einrichtungen aufgrund der erforderlichen Schleifen relativ viel Platz in Anspruch nimmt stellen diese noch keinen Schlußpunkt der Entwicklung bezüglich geringer Größe und hoher Geschwindigkeit dar, die das Ziel der meisten heutigen Technologien darstellen. Außerdem ist in keiner der bekannten Einrichtungen die Speicherzelle gleichzeitig ihr eigener Abfühldetektor, der die Zelle beim Speichern eines Flußquants in den Zustand mit der Bandlückenspannung umschaltet

Die vorliegende Erfindung stellt sich angesichts des beschriebenen Standes der Technik die Aufgabe, eine Josephson-Speicherzelle mit nur einem einzigen Josephson-Kontakt anzugeben, bei der das Umschalten nach dem Koinzidenzstromprinzip erfolgt, und der entstehende Leseimpuls einen möglichst großen Wert erhält Außerdem soll die Speicherzelle eine möglichst hohe Speicherdichte beim Zusammenbau von Speichermatrizen ergeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebene Erfindung gelöst Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprachen 2 bis 11 gekennzeichnet

Die vorgeschlagene Speicherzelle besteht im wesentlichen aus einem einzelnen Josephson-Kontakt mit zwei ss Elektroden und einer dazwischenliegenden Isolierschicht, der so aufgebaut ist, daß die Josephson-Stromdichte in den Randbereichen des Kontakts größer ist als in dessen Zentrum. Das Profil der Stromdichte kann dadurch gesteuert werden, daß entweder die Oxyddicke eo entsprechend gewählt wird, Supraleiter mit einem geeigneten Wert ihrer Austrittsarbeit verwendet werden oder dadurch, daß die Gestalt des Kontakts abweichend vom normalen rechtwinkeligen Querschnitt ausgeführt wird. Wird die Gestalt des Kontakts zur Steuerung des Profils der Josephson-Stromdichte verwendet, so erhält der üblicherweise rechtwinkelige Kontakt in einer seiner Ausdehnungsrichtungen eine Einbuchtung; diese Einbuchtung kann dabei spitz zulaufend, mit rechten Winkeln oder krummlinig begrenzt gewählt werden.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zum Betreiben der in den Ansprüchen 1 bis 11 gekennzeichneten Speicherzelle. Durch entsprechende Einstellung der Dämpfung der Kontakte dieser Speicherzelle können die Verstärkungscharakteristik und die Flußschläuche so beeinflußt werden, daß eine Koinzidenzstromadressierung einer einzelnen Speicherzelle in einer bitorientierten Speichermatrix ermöglicht wird. Die sich insgesamt ergebende Herabsetzung der Josephson-Stromdichte führt zu einem höheren Kontakt-Widerstand und dz mit zu einer entsprechenden Herabsetzung der Dämpfung. Diese Widerstandserhöhung am Tunnelkontakt verändert auf unerwartete Weise die Umschalteigenschaften aller Vortex-Moden derart, daß die Verwendung derselben Koinzidenzströme das eindeutige Auslesen sowohl von positiven als auch negativen Flußschläuchen erlaubt, welche eine binäre »1« bzw. eine binäre »0« darstellen, da nur beim Vorliegen einer binären »1« eine Umschaltung in dem spannungsbehafteten Zustand erfolgt Jede Speicherzelle arbeitet während des Abfühlvorgangs als ihr eigener Abfühldetektor und schaltet in den spannungsbehafteten Zustand um, wenn ein Flußquant gespeichert ist

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß zur permanenten Informationsspeicherung keine äußeren Mittel wie z. B. zusätzliche Hilfsfelder oder Vorströme notwendig sind, daß in der Speicherzelle selbst keine supraleitende Schleife vorhanden sein muß, daß die Speicherzelle mit geringer Leistung und großer Geschwindigkeit betrieben werden kann und schließlich, daß jede Speicherzelle als ihr eigener Abfühl-Detektor verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt den Querschnitt durch eine Speicherzelle zur Speicherung eines einzelnen Flußquants ohne Verwendung eines Hilfsfeldes. Die dargestellte Zelle besitzt einen rechtwinkeligen Josephson-Kontakt mit einem zwischen zwei Supraleitern liegenden Isolator, dessen Dicke so gewählt ist, daß in ihm längs des Kontakts ein Josephson-Tunneleffekt auftreten kann;

F i g. 2A zeigt eine Aufsicht auf einen Josephson-Kontakt bei dem ein gewünschtes Profil der Josephson-Stromdichte J\(x) dadurch erzeugt wird, daß die einander gegenüberliegenden Enden der supraleitenden Elemente die Form von rechtwinkelig begrenzten Einschnitten besitzen. In der Figur ist dargestellt, wie die sich überlappenden Teile der beiden supraleitenden Elektroden jeweils in der Mitte eine Einbuchtung aufweisen und somit ein Profil der Josephson-Stromdichte ergeben, welches in den Randzonen des Kontakts einen höheren Wert aufweist als in der Mittelzone;

F i g. 2B gibt eine graphische Darstellung des Profils der Josephson-Stromdichte ]\(x), aufgenommen längs des Josephson-Kontakts mit der in Fig.2A gezeigten Konfiguration;

F i g. 3A zeigt eine Aufsicht auf einen Josephson-Kontakt, bei dem das gewünschte Profil der Josephson-Stromdichte mit Hilfe von spitz zulaufenden Einbuchtungen in den supraleitenden Elektroden des Kontakts erzielt wird;

Fig. 3B gibt die graphische Darstellung des Profils der Josephson-Stromdichte für die Anordnung in Fig.3A;

Tig.4A zeigt einen Josephson-Kontakt mil krummlinig begrenzten Einbuchtungen der Elektroden;

Fig.4B zeigt das Profil der Josephson-Stromdichte für die Anordnung nach Fig. 4A;

Fig.5 gibt die graphische Darstellung einer Reihe von Schwellwertkurven des Arbeitsstroms (I_g) in Abhängigkeit des Steuerstroms (l_c), die beide bezüglich /ο normalisiert sind; die Kurven gelten für einen Kontakt ähnlich dem in Fi g. 1 gezeigten mit der Ausnahme, daß es sich hier um einen Kontakt mit geringem Widerstand (Rj) handelt, der in dem Kontakt zu einer großen Dämpfung führt. Immer wenn die angelegten Ströme zu einem Überschreiten der durchgezogen gezeichneten Kurvenabschnitte führen, erfolgt ein Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand. Außerdem geht die Zeile von einem Quantenzustand in einen anderen über, wenn die angelegten Ströme einen gestrichelt gezeichneten Abschnitt der Kurven überschreiten;

F i g. 6 zeigt die graphische Darstellung eines Satzes von berechneten Kurven, die ähnlich den Kurven in F i g. 2 sind mit der Ausnahme, daß hier die charakteristischen, auf /o normalisierten Kurven des Verlaufs von Ig über /₍. für eine Zelle mit großem Widerstand Rj aufgetragen sind, welcher zu einer geringen Dämpfung der Zelle führt Bei den Kurvenzügen von F i g. 6 ist der Hinweis wichtig, daß bei diesen die Umschalt-Schwellwerte für alle Vortex-Zustände als Folge der Zunahme des Kontaktwiderstands eine Ausdehnung erfahren haben; in

Fig. 7 ist der charakteristische Verlauf von l_e in Abhängigkeit von /_cfür einen Kontakt ähnlich dem in F i g. 4A dargestellt und zusätzlich das Einschreiben und Auslesen des Kontakts durch Anlegen von Koinzidenzströmen, infolge der verringerten Dämpfung erstreckt sich die Verstärkungscharakteristik der Moden derart. daß das Auslesen sowohl von binären Einsen als auch binären Nullen eindeutig durch Koinzidenzstrom-Selektion erfolgen kann. Die durchgezogenen Linienabschnitte stellen die Umschaltschwellwertgrenze dar, während die gestrichelten Abschnitte die Begrenzungen der Quantenzustände anzeigen;

Fig.8 zeigt eine Matrix aus Josephson-Kontakten zum Speichern eines einzelnen Flußquants und mit einer geringen Dämpfung ähnlich dem in Fig.4A gezeigten Fall, bei denen durch Koindizenzstrom-Selektion mit Hilfe von Wort- und Bitleitungen eingeschrieben und ausgelesen wird.

In Fig. 1 ist der Teil eines Querschnitts eines rechteckigen Josephson-Kontakts 1 gezeichnet, mit dem ein einzelnes Rußquant ohne Zurhilfenahme eines Vorstroms oder eines von außen angelegten Magnetfelds gespeichert werden kann. Der Josephson-Kontakt 1 besteht aus Supraleitern 2, 3, welche durch eine dielektrische oder Isolierschicht 4 getrennt sind, deren Dicke den Tunneleffekt erlaubt Die Supraleiter 2, 3, können aus beliebigen supraleitenden Stoffen der Kryotechnik hergestellt werden, beispielsweise aus Blei, Niob, Zinn oder Aluminium. Das Dielektrikum 4 kann ebenfalls aus beliebigen Dielektrika oder Isolatoren bestehen, die üblicherweise in der Kryotechnik verwendet werden, wie z. B. Sifiziumdioxyd oder ein Oxyd des verwendeten Metalls, solange die Dicke, wie oben erwähnt, nicht den Wert überschreitet, bei dem der Josephson-Tunneleffekt durch die Schicht verändert wird. Eine Steuerleitung 5. die senkrecht über dem Kontakt 1 liegt und von diesem durch eine (nicht gezeichnete) Isolatorschicht getrennt ist liefert einen Steuerstrom /_Λ der in Verbindung mit den Strömen Ig, die an die Elemente 2, 3 angelegt werden, zum Einspeichern oder zum Auslesen von Information dient, die in der Zelle durch die Anwesenheit oder die Abwesenheit von Flußschläuchen enthalten ist.
Die Ströme l_c und l_g werden also gleichzeitig an die Steuerleitung 5 und an die Supraleiter 2,3 angelegt, und zwar sowohl zum Einschreiben als auch zum Auslesen von Information in die Zelle 1. In Fig. 1 wird l_g beispielsweise an das supraleitende Element 2 in einer

ίο Richtung angelegt, welche durch das Symbol 6 angezeigt wird und die ebenfalls mit der Richtung des durch den Steuerstrom in der Steuerleitung 5 erzeugten Magnetfeldes übereinstimmt.

Flußschläuche können innerhalb des langen Josephson-Kontakts dadurch erzeugt werden, daß ein äußeres Magnetfeld mit einer Größenordnung von A_n(O) angelegt wird. Diese Flußschläuche sind jedoch ohne Magnetfeld nicht stabil. Der Grund hierfür ist daß die Lorentz-Kraft infolge des Eigenfeldes eines FluDschlauches die Josephsonschen Ringströme nach außen abdrängt.

Um in einer Zelle ähnlich der Fig. 1 einen stabilen Flußschlauch aufrechtzuerhalten, muß die zu dem (induktiven) Josephson-Strom gehörige Energie an den Kanten des Kontakts größer sein als die Energie infolge der Lorentz-Kraft. Dies läßt sich erreichen, indem der Schwellwert des Josephson-Stroms an zwei gegenüberliegenden Enden des Kontakts durch eine lokale Erhöhung der Josephson-Stromdichte erhöht wird oder indem an gegenüberliegenden Enden des Kontakts die Kontaktfläche größer gemacht wird als im Zentrum. Die zuletzt genannte Möglichkeit wird im folgenden ausführlich anhand der F i g. 2A, 3A und 4A erörtert. In jedem Fall wird das Profil der Josephson-Stromdichte so gestaltet daß es an den Rändern der Zelle 1 einen höheren Wert aufweist als im Mittelpunkt der Zelle.

Eine Möglichkeit, das gewünschte Profil der Josephson-Stromdichte zu erhalten, ist in F i g. 1 dargestellt Dort ist die Isolationsschicht 4 an den Enden 7, 8 des Kontakts 1 dünner als in der mittleren Region 9. Die Zelle 1 stellt also einen einzigen rechteckigen Josephson-Tunnel-Kontakt mit einer dielektrischen oder Isolierschicht 4 zwischen den Supraleitern 2,3 dar, welcher entlang der Längendimension des Kontakts einen Josephson-Tunnel-Strom aufrechterhält Es ist hier noch darauf hinzuweisen, daß sich unter diesen Umständen die Zelle in Fig. 1 sehr wohl von den bekannten Interferometeranordnungen (DT-PS 12 43 292) unterscheidet welche aus einem Paar von Josephson-Kontakten bestehen. Durch die Maßnahme, die Stromdichte, die allgemein definiert wird durch

J₁(X) = J

an den Enden eines einzelnen Josephson-Kontakts zu erhöhen und dafür zu sorgen, daß an den Rändern eine größere Stromdichte als in der Mitte der Zelle vorherrscht, können in die Zelle 1 von Fig. 1 durch eine geeignete Kombination von Arbeitsstrom I_g und Steuerstrom /_c Flußschläuche erzeugt werden, die einem einzelnen Flußquant entsprechen. Das zur Erzeugung eines Flußschlauchs notwendige Magnetfeld wird durch den Steuerleiter 5 aufgebaut Der Strom m der Zelle, der dem Eindringen des äußeren Steuerfeldes entgegenwirkt bildet schließlich den Flußschlaucn, der durch den gestrichelt dargestellten Pfeil 10 in Fig. I angedeutet

ist. Wird also ein Flußschlauch in der Zelle I von F i g. 1 erzeugt, bleibt dieser auch ohne ein äußeres Magnetfeld stabil, während die Vorrichtungen im Stand der Technik, die ebenfalls nur einen einzigen (osephson-Kontakt verwenden, einen äußeren Vorstrom oder ein Magnetfeld erforderlich machten, um die gebildeten Flußschläuche in einem stabilen Zustand aufrechtzuerhalten.

Das obenerwähnte Profil der Josephson-Stromdichte kann auch auf andere Weise als durch Änderung der dielektrischen Schicht 4 an den Rändern der Zelle 1 erhalten werden. So können auch die Endstücke 7,8 der Zelle 1, welche die Randbereiche der Supraleiter 2, 3 enthalten, zur Erzielung des gewünschten Stromdichtenprofils dienen. In diesem Fall besitzt dann die Zelle 1 von F i g. 1 eine dielektrische oder isoiatorschicht 4 mit überall gleicher Dicke, während die Randbereiche der Supraleiter 2, 3 an den Enden 7, 8 aus einem Metall bestehen, dessen Austrittsarbeit verschieden ist von dem Metall, das für die Bereiche der Supraleiter 2,3 in der Zentralregion 9 verwendet wird. Genauer gesagt ist die Austrittsarbeit des Metalls in den Randbereichen der Zelle 1 geringer als die Austrittsarbeit für die Abschnitte der Leiter 2,3, die in der Zentralregion 9 liegen. Durch Herabsetzen der Austrittsarbeit in den Endbereichen 7 und 8 der Supraleiter 2,3 ergibt sich eine Dichtefunktion des Josephson-Stroms, bei der in den Endbereichen 7,8 ein größerer Betrag auftritt als in der Zentralregion 9. Wird also beispielsweise die Zentralregion 9 aus Blei hergestellt, so können die Bereiche 7, 8 aus Zinn bestehen, welches ein Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit ist. Diese Zelle besitzt dann das gewünschte Profil der Josephson-Stromdichte und erfüllt somit die gestellte Anforderung, nämlich nur einen einzigen Josephson-Kontakt zu verwenden und keinen externen Vorstrom oder ein Magnetfeld zur Aufrechterhaltung eines gespeicherten einzigen Flußquants zu benötigen.

Ein Josephson-Kontakt mit einem Profil der Josephson-Stromdichte derart, daß sich in den Randbereichen der Zelle ein größerer Betrag ergibt als im Mittelteil, kann auch mit überall gleicher Dicke des Dielektrikums und mit Metallen einer einzigen Austrittsarbeit hergestellt werden, wenn für den Kontakt selbst eine bestimmte Formgebung gewählt wird. Mit anderen Worten, das gewünschte Stromdichtenprofil kann dadurch erzeugt werden, daß mindestens ein Teil der Endbereiche mindestens einer der Elektroden 2, 3, die sich mit der anderen Elektrode überlappen, so gestaltet wird, daß sich im Mittelteil der Zelle 1 ein weniger breiter Tunnelbereich ergibt als an den Rändern der Zelle 1. Die F i g. 2A bis 4A zeigen Aufsichten auf solche Strukturen, welche die gewünschten Profile der Josephspn-Strom-Dichten ergeben, die jeweils in den Fi g. 2B bis 4B angegeben sind.

Fig.2A zeigt eine Aufsicht auf einen einzelnen JosephsoB-Kontakt 1, bei dem ein Teil der sich überlappenden Endbereiche jeder der Elektroden 2,3 so ausgebildet ist daß in beiden Elektroden ein rechtwinkeliger Einschnitt 11 entsteht In F i g. 2A liegt natürlich zwischen den Elementen 2,3 überall dort, wo diese sich «0 überlappen, ein Dielektrikum oder ein Isolator 4 (dieser ist in der Figur nicht gezeichnet). Ans F i g. 2B, in der das Profil der Josephson-Stromdichte längs des Josephson-Kontakts -von Zelle 1 (bzw. in Ji-Richtang) aufgetragen ist ergibt sich, daß die Zelle 1 ein Profil der «5 Josephson-Stromdichte Ji(X) besitzt dessen Wert an den Rändern der Zelle 1 größer ist als in deren Mittelteil.

Auf ähnliche Weise besitzen die Stromdichtenprofile J\(X) der Zellen 1 in den Fig. 3A und 4A an den Rändern der Zelle eine größere Stromdichte als in den Mittelabschnitten, wobei in Fig.3A ein spitz zulaufender Einschnitt 12 in den Elektroden dargestellt ist, in F i g. 4A ein krummliniger Einschnitt 13. Wie im Fall der Zelle 1 und in Fig.2A besitzen die Zellen 1 in den Fig.3A und 4A an den Stellen der Elektrodenüberlappung dielektrische oder Isolatorschichten. Jeder der beschriebenen Kontakte weist das gewünschte Profil der Josephson-Stromdichte als Folge eines im Mittelteil der Elektroden angeordneten Einschnitts auf. Allgemein kann damit von der Regel ausgegangen werden, daß die Gestalt des Josephson-Kontakts beliebig ist, solange die gewählte Struktur im Mittelteil einen Einschnitt aufweist. Es ist dabei nicht notwendig, daß beide supraleitenden Elektroden 2,3 diesen Einschnitt in ihren Mittelteil aufweisen, es genügt, wenn eine der Elektroden damit versehen wird. In Fig.2A kann also beispielsweise der rechtwinkelige Einschnitt 1 im Element 3 entfallen, ohne daß sich dadurch das endgültige Profil der Josephson-Stromdichte ändert. Die einzige notwendige Änderung besteht darin, den Einschnitt 11 des Elements 2 in K-Richtung zu erweitern, bis er den Endteil des Elements 3 (der jetzt ohne Einschnitt ist) zu einem großen Teil überdeckt.

Auch in den F i g. 3A und 4A braucht nur eines der Elemente 2, 3 mit einem spitz zulaufenden bzw. einem krummlinig begrenzten Einschnitt versehen zu werden.

In den Fig.2A bis 4A liegt über jedem der dargestellten Josephson-Kontakte beim tatsächlichen Betrieb eine Steuerleitung 5, die beim Anlegen eines Steuerstroms l_c ein Magnetfeld erzeugt, dessen Richtung durch den in jeder der F i g. 2A bis 4A dargestellten Pfeil angegeben ist In allen Ausführungsbeispielen braucht das Dielektrikum oder die Isolatorschicht 4 nur diejenige minimale Dicke aufzuweisen, welche ausreicht, um einen Josephson-Tunneleffekt über die ganze Länge des Kontakts aufrechtzuerhalten. Diese Forderung ergibt zusammen mit den oben beschriebenen Parametern die Vorschriften, mit denen die gewünschten Profile der Josephson-Stromdichte erzeugt werden können; die sich damit ergebenden Zellen können auch bei Abwesenheit eines externen Magnetfeldes oder eines Vorstromes ein einzelnes Flußquant speichern.

Trägt man für die in den F i g. 1 und 2A bis 4A dargestellten Zellen die Änderung des Arbeitsstroms l_g in Abhängigkeit vom Steuerstrom l_c auf, so erhält man die Schwellwertcharakteristik, deren allgemeine Form in Fig.5 wiedergegeben ist In Fig.5 ist jeder der Parameter Ig und /<■ normiert bezüglich /0 dargestellt F i g. 5 bezieht sich auf eine Zelie mit einem geringeren Kontaktwideestand Rj und damit einer großen Dämpfung; die Kurve für den Fall ohne eingefangene Flußschläuche {Null-Vortex) liegt symmetrisch zur /y/o-Achse und besitzt die Werte 7<//o = ±1,5 für Ig = 0. Für eine Zelle, die also keinen Flußschlauch enthält kann durch keine Kombination eines Steuerstroms /cund eines Arbeitsstroms Ig, die innerhalb der Nun-Vortex-Rurve liegt ein FluBschlauch gebildet werden. Wurden diese Ströme jedoch so gewählt daß der Arbeltepunkt der Zelle außerhalb der durchgezogenen Linie der NuD-Vortex-Kurve liegt so schaltet die Zelle von dem supraleitenden Zustand in den spannungsbehafteten Zustand in der für Josephson-Kontak- te üblichen Weise um. Verschiebt weiterbin die Kombination der angelegten Ströme den Arbeitspunkt der betrachteten Zelle derart, daß er den gestrichelt

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ίο

gezeichneten Teil der Null-Vortex-Kurve überschreitet, speichert die Zelle einen Plus- oder Minus-Flußschlauch. Unter diesen Umständen kann der Josephson-Kontakt ein einzelnes Flußquant speichern, welches eine von zwei möglichen Richtungen des Stroms im Flußschlauch einnimmt; dies ist in Fig.5 durch die Kurven Plus-Vortex (+) und Minus-Vortex (-) angedeutet. Hat die Zelle dabei von einem Vortex-Mode in einen anderen umgeschaltet, so besteht der Vortex-Mode, von dem die Zelle ausgegangen ist, nicht mehr und damit ebensowenig die Schwellwertcharakteristik dieses Modes. Führt also in F i g. 5 die Kombination der angelegten Ströme die Zelle von einem Nuli-Vortex-Mode in einen Plus-Vortex-Mode über, indem die gestrichelt bezeichnete Linie des Null-Vortex-Mode überschritten wird, so verschwindet der Null-Vortex-Mode, und es bleibt nur noch die Schwellwertkennlinie des Plus-Vortex-Mode übrig. Solange die Kombination der angelegten Ströme innerhalb der Schwellwertcharakteristik des Plus-Vortex-Mode bleibt, kann die betreffende Zelle ein einzelnes Flußquant speichern. Wenn die Kombination der angelegten Ströme dazu führt, daß ein durchgezogen gezeichneter Kurvenabschnitt einer der Vortex-Moden überschritten wird, so schaltet die betreffende Zelle in den spannungsbehafteten Zustand um. Speichert die Zelle ein einzelnes Flußquant und wird dann eine Kombination von Strömen angelegt, die bewirkt, daß die gestrichelt gezeichneten Abschnitte der Schwellwertcharakteristik des Plus-Vortex-Mode überschritten werden, so schaltet die Zelle von einem Plus-Vortex-Mode in den Null-Vortex-Mode zurück, und es ist in diesem Fall nicht mehr möglich, ein einzelnes Flußquant zu speichern. Aus dem Vorstehenden ergibt sich klar, daß Kombinationen von Arbeits- und Steuerströmen an die Zelle derart angelegt werden können, daß dieser entweder einen Null- oder einen positiven Flußschlauch speichert, die als Darstellung einer binären Null bzw. einer binären Eins angesehen werden können.

Dieses Ziel kann üblicherweise dadurch erreicht werden, daß gleichzeitig Arbeits- und Steuerströme mit solchen Werten angelegt werden, daß entweder ein Null-Flußschlauch oder ein positiver Flußschlauch in der betreffenden Zelle gespeichert wird. Soll die gespeicherte Information jedoch ausgelesen werden, so ergibt die Anwendung von Koinzidenzströmen dann einen Ausgangsstrom in der Leitung des Arbeitsstroms, wenn ein positiver Flußschlauch gespeichert ist, während sich im Fall eines gespeicherten Null-Flußschlauchs kein Strom ergibt Ist beispielsweise eine binäre Eins in Form eines positiven Flußschlauchs gespeichert, so führt das Anlegen von Koüszidenzströmen dazu, daß der gestrichelt gezeichnete Abschnitt der positiven Vortex- Kurve fiberschritten wird, wodurch der gespeicherte Flußschlauch freigegeben und der Arbeltspunkt der Zelle 1 In den Null-Vortex-Mode übergeführt wird. Der freigesetzte Flußschlauch besitzt eine Energie in der Größenordnung -von 10~¹⁸ Joule und prägt der Arbeitsleitung der Zelle 1 einen geringen Stromimpuls auf. Werden dieselben Koinzidenzströme angelegt, wenn kein Flußschlauch gespeichert ist, so ergibt sich kein Ausgangssignal da in diesem Fall der gestrichelt gezeichnete Abschnitt der Null-Vörtex-Kurve nicht überschritten wird. Anzumerken ist an dieser Stelle noch, daß kein positiver Flußschlauch existieren kann, wenn ein Null-Flußschlauch vorhanden ist und umgekehrt

In F i g. 6 sind Schwellwertkurven Ig/h in Abhängigkeit von IJk ähnlich denen in F i g. 5 aufgezeichnet, jedoch mit dem Unterschied, daß diese Kurven für eine Zelle aufgenommen wurden, die einen großen Widerstand Rj und eine entsprechend geringere Dämpfung s aufweist. Die Erhöhung des Kontaktwiderstandes /?/ führt dazu, daß die durchgezogen gezeichneten Kurvenabschnitte von F i g. 5 so verlängert werden, daß die Umschaltschwelle der Zelle in der in F i g. 6 dargestellten Weise ausgedehnt wird. Die in Fi g. 6 mit

ίο Hilfe der durchgezogenen Linien dargestellte Erweiterung der Umschaltschwelle, verglichen mit der Umschaltschwelle der Zelle in Fig.5, ermöglicht eine grundsätzliche Änderung in der Betriebsweise der Zelle, wenn diese als Speicherzelle zur Speicherung eines einzelnen Flußquants ohne Vorstrom verwendet werden soll. Diese Änderung ergibt sich durch die Erweiterung der Umschaltschwellen der Zelle, die ihrerseits durch eine Herabsetzung des Stromdichte-Profils erzielt wird, wobei diese Herabsetzung dadurch geschieht, daß ein großer Kontaktwiderstand für eine Zelle mit einem gewünschten Stromdichte-Profil verwendet wird. Aus F i g. 6 ist ersichtlich, daß der kritische Punkt (d. h. der Punkt an dem eine Kombination von angelegten Arbeits- und Steuerströmen eine Zelle in den spannungsbehafteten Zustand umschaltet), auf der Null-Vortex-Kurve bei lg/Ιο ungefähr 0,9 liegt. Als Folge hiervon wird ein positiver Flußschiauch ohne Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand gebildet, wenn die Schweliwertkurve für einen Null-Vortex-Zustand (oder Null-Quantenzustand) bei Arbeitsströmen von Ig ~0,9 /o nicht überschritten wird. Bei Arbeitsströmen, die größer sind als 0,9 I₀, schaltet die Zelle natürlich in den spannungsbehafteten Zustand um. Aus Fig.6 ist auch ersichtlich, daß die kritischen Punkte auf den Schwellwertkurven für die positiven und negativen Flußschläuche bei IJh ungefähr 0,4 erfolgen, so daß das Umschalten zu dem spannungsbehafteten Zustand bei geringeren Arbeitsströmen erfolgt In bezug auf das Speichern eines einzigen Rußquants ändert sich am Einschreiben einer derartigen Information wenig, da das Umschalten zwischen den verschiedenen Quantenzuständen (zwischen den Zuständen mit verschiedenen Flußschläuchen) die einzige Voraussetzung ist, um beispielsweise eine binäre Eins in einem positiven Vortex-Zustand mit einem einzigen angefangenen Flußquant einzuspeichern. Das Auslesen einer Zelle, in der beispielsweise eine binäre Eins in Form eines positiven Vortex-Zustandes (Zustand mit einem einzigen Flußquant) gespeichert ist, ändert sich jedoch in diesem Fall radikal. In F i g. 5 galten die Schwellwertkurven für eine Zelle mit einem geringen Kontaktwiderstand Rj, und das Lesen erfolgte eindeutig dadurch, daß ein einzelnes Flußquant aus der Zelle freigesetzt wurde, wenn gleichzeitig-Ströme angelegt wurden, die zu einem

Oberschreiten der positiven Vortex-Kurve in den gestrichelten Bereich führt; im Gegensatz hierzu folgt aus den Schwellwertkurven von Fig.ti, daß eine binäre Eins, die in der Zelle in Form eines einzelnen Flußquants gespeichert ist nun dadurch ausgelesen werden kann,

daß die Zelle mit geringer Dampfung in den spannungsbehafteten Zustand übergeführt.wird. Infolge der großen Ausdehnung der Schwellwertkurven ist es nur möglich, lcpinzidierende Arbeits- und Steuerströme anzulegen und damit eindeutig die Anwesenheit

entweder einer binären Eins oder einer binären Null festzustellen, wobei in beiden Fallen die gleichen Werte der Koinzidenzströme Verwendung finden. Fig.7, in der die Umschait-Schwellwerte ebenso wie die Vortex-

Schwellwerte eingezeichnet sind, zeigt klar die Strombedingungen, unter denen eine Zelle mit geringer Dämpfung sowohl eingeschrieben als auch ausgelesen werden kann.

Ist anfangs eine durch die Kurven von F i g. 7 dargestellte Zelle leer (d. h. enthält sie keinen Flußschlauch), so wird kein Flußschlauch erzeugt, solange der Arbeitspunkt innerhalb der Kurve bleibt, die durch Null-Vortex angezeigt ist. Beispielsweise kann durch eine beliebige Kombination von Arbeits- und Steuerströmen eine binäre Null eingeschrieben werden, wenn die koinzident an die Zelle und deren Steuerleitung angelegten Ströme einen Arbeitspunkt ergeben, der in dem schraffierten Bereich 14 liegt (dieser wird auch mit »Schreibe 0« bezeichnet. An dieser Stelle wird auch klar, daß die mit Minus-Vortex in F i g. 7 bezeichnete Kurve auch anstelle der mit Null-Vortex bezeichneten Kurve sowohl zum Einschreiben als auch zum Auslesen einer Binärinformation dienen kann, wobei dieselben Ströme wie im Fall der Null-Vortex-Kurve verwendet werden. Die obere Grenze des anlegbaren Arbeitsstroms ist natürlich durch den kritischen Punkt 15 auf der positiven Vortex-Kurve bestimmt, der dann eine Rolle spielt, wenn von einem binären Zustand »1«, der durch die positive Vortex-Kurve dargestellt wird, zu einem binären Zustand »0« umgeschaltet werden soll. Solange nur Ströme angelegt werden, welche die positive Vortex-Schwellwertkurve nur in deren gestrichelten Bereich überschreiten, kann diese Änderung der Zustände ohne Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand erfolgen. Zum Einschreiben einer binären »1« können Arbeits- und Steuerströme angelegt werden, welche zu einem Punkt in dem schraffierten Bereich 16 (mit »Schreibe 1« bezeichnet), ohne daß dadurch der durchgezogene Abschnitt einer Schwell wertkurve überschritten werden würde. Das schraffierte Gebiet 16 besitzt ebenfalls eine obere Begrenzung für den Arbeitsstrom, deren Wert durch den kritischen Punkt bestimmt wird, der zu beachten wäre, wenn von einem Null-Vortex-Zustand zu einem positiven Vortex-Zustand umgeschaltet werden sollte Offensichtlich führt ein Arbeitsstrom größer als 0,9 dazu, daß der Schwellwert der Null-Vortex-Kurve überschritten wird und daß die Zelle in den spannungsbehafteten Zustand übergeht

Bezüglich des Auslesens müssen natürlich gleiche Koinzidenzströme angelegt werden, und es muß sich ein eindeutiges Signal für einen der beiden Zustände der ausgelesenen Zelle einstellen. In früheren Abschnitten wurde besprochen, daß es bei einer Zelle mit großer Dämpfung nicht möglich ist, ein derartiges eindeutiges Signal für einen der beiden möglichen gespeicherten Zustände zu erzielen, wenn ein Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand erfolgt. Durch eine geeignete Wahl des Kontaktwiderstands, Rj derart, daß sich eine Zelle nut großem Kontaktwiderstand ergibt, wird die Umschaltschwelle einer derartigen Zelle ausgedehnt und ermöglicht es, das gewünschte eindeuti ge Auslesesigna] Für eine gespeicherte Binärinformation zu erhalten.

Aus Flg.7 ergibt sich, daß beim Anlegen gleicher Werte von Arbeits- und -Steuerströmen ein eindeutiges Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand erzielt werden kann, sofern ein positiver Flußschlauch gespeichert ist und daß sich überhaupt kein Auslesestgnal (Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand) ergibt, wenn dieselben Koinzidenzströme bei Speicherung eines Null-Flußschlauches angelegt werden. In Fig. 7 führt jede Kombination eines Arbeits- und Steuerstroms, die den Arbeitspunkt der Zelle in dem schraffierten Bereich 18 (mit »Lesen« bezeichnet) zu einem Umschalten der Zelle in den spannungsbehafteten Zustand, wenn ein positiver Flußschlauch gespeichert ist. Ist kein positiver Flnßschlauch gespeichert, so existiert die Schwellwertkurve für einen positiven Vortex nicht; werden dann genau dieselben Koinzidenzströme angelegt, so wird die Umschaltschwelle trotzdem nicht überschritten, und es ergibt sich kein Ausgangssignal, da der Arbeitspunkt der Zelle innerhalb der Null-Vortex-Kurve liegt (die ja als einzige vorhanden ist, wenn in der Zelle kein Flußschlauch gespeichert ist). Wird die Anwesenheit eines positiven Flußschlauchs durch das Umschalten der Zelle in den spannungsbehafteten Zustand festgestellt, so bleibt die Zelle in dem spannungsbehafteten Zustand, solange der Arbeitsstrom aufrechterhalten wird, genau wie im Fall eines einzelnen Josephson-Kontakts.

Unter den geschilderten Umständen steht für das Abfühlen des Zellenzustandes ein viel größerer Betrag an Energie zur Verfügung als bei den Leseverfahren im Stand der Technik, bei denen nur ein einzelnes Fluxoid freigesetzt wird. Wenn alle Ströme von der Zelle abgeschaltet werden, geht die ursprüngliche Information verloren und die Zelle kann sich in einem beliebigen der drei Quantenzustände befinden. Simulationen und experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, daß die Begrenzungen der Schwellwertkurven Für das Umschalten in F i g. 7 von der Dämpfung der Zelle abhängen, die ihrerseits durch den Niederspannungs-Ein-Teilchen-Tunnelwiderstand Rj eines Kontakts bestimmt ist. Wie schon erwähnt, entsprechen die Kurven von F i g. 7 einer Zelle mit einer geringen Dämpfung, wobei zur Ermöglichung des eindeutigen Auslesens der Kontaktwiderstand Ay den Wert ^rrr besitzen sollte (L ist die

Induktivität der Zelle und C die Kapazität der Grenzschicht). Aus dieser Beziehung folgt, daß die Bedingung für das obengenannte Ausleseverfahren auch dadurch erfüllt werden kann, daß entweder L oder C geändert wird. Für im wesentlichen festgehaltene Werte von L und C erhöht eine kleine Verminderung der Dicke des Dielektrikums zwischen den supraleitenden Elektroden den Widerstand des Kontakts Rj. Bei fester Dicke des Dielektrikums zwischen den Supraleitern kann L verändert werden, indem die Tiefe der in den Fig.2A—4A dargestellten Einschnitte verändert wird. Je größer die Tiefe dieser Einschnitte, desto größer ist die Einschnürung und desto größer der Wert von L Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Induktivität besteht in einer Veränderung der supraleitenden Eindringtiefe λ, beispielsweise durch Übergang zu anderen Materialien. Je größer die Eindringtiefe, desto größer ist auch der Induktivitätsbeitrag L in der oben angegebenen Beziehung. Die Kapazität C kann dadurch geändert werden, daß Metalle verwendet werden, deren Oxyde eine größere Dielektrizitätskonstante ε besitzen. Solange die oben gegebene Ungleichung erfüllt ist, weisen die Schwellwertkurven für das Umschalten die Erweiterung auf, und es spielt keine Rolle, welcher der beteiligten Parameter geändert wird. In einem experimentellen Aufbau wurden Zellen mit einer Form der Tunnel-Grenzschicht ähnlich wie in Fig.3A hergestellt Ein Josephson-Tunnelkontakt wurde zwischen zwei Supraleitern aus einer Bleilegierung hergestellt Der Kontakt besitzt am Ende des unteren Supraleiters einen krummlinig begrenzten Einschnitt;

cine Isolierschicht aus Siliziumoxid mit ungefähr 4000 Ä Dicke und einem entsprechenden krummlinig begrenzten Einschnitt begrenzt die Zelle auf der anderen Seite des Kontakts. Die fertiggestellte Zelle hat die Gestall eines Schmetterlings oder einer Hantel. Die Induktivität L, deren Wert im wesentlichen durch den in der Mitte liegenden eingeschnürten Bereich bestimmt wird, beträgt schätzungsweise 0,5 pH. In der Versuchszelle wt-rden keine orthogonalen Bitleitungen, sondern zwei longitudinale Steuerleitungen verwendet. Als Steuerstrom wurden diese Steuerleitungen mit gleichstarken, aber entgegengesetzt fließenden Strömen beaufschlagt In der Versuchszelle erzeugten die an der Oberseite des obenliegenden Supraleiters induzierten Abschirmströme einen geringen durch die Einschnürung fließenden Strom. Die mit einem Energiebetrag von ungefähr 3 · 10-'⁸ Joule gespeicherte Information wies eine bemerkenswerte Stabilität auf trotz der in einem Laboratorium vorherrschenden nicht abgeschirmten Versuchsbedingungen. Quasistatisches Einschreiben und Abfühlen mit Zykluszeiten von 5 Minuten wurden demonstriert. Die Umschaltzeit der vorliegenden Zelle wird auf 50 ps geschätzt. Zum Einschreiben dienten dreieckige Impulse mit einer Grundbreite von ungefähr einer Nanosekunde; ein Abfühlzyklus mit ähnlichen Impulsen wurde ebenfalls durchgeführt.

In Fi g. 8 ist die Aufsicht auf einen Teil einer Matrix mit Josephson-Zellen gezeigt, die ähnlich den eben beschriebenen und identisch mit den in Fig.3A gezeigten sind. Fig.8 zeigt eine Matrix aus vier Josephson-Zellen 20, die jeweils paarweise über die Wortleitungen 21 in Reihe geschaltet sind. Bitleitungen 22 liegen orthogonal zu den Wortleitungen 21 und sind ähnlich den Steuerleitungen 5 aus F i g. 1. Die verschiedenen Elemente liegen auf einer Grundplatte 23 aus Niobium oder einem anderen supraleitenden Metall, wovon sie durch eine Silicium-Oxydschicht oder ein anderes Dielektrikum isoliert sind. Stromquellen, die in F i g. 8 durch Leitungen I_g und l_c angedeutet sind und Verbindungen zu den Wortleitungen 21 und Bitleitungen 22 aufweisen, liefern die koinzidenten Arbeits- und Steuerströme, die zum Einschreiben und zum Auslesen von Information in der gezeigten Matrix dienen. Da jede der Zellen 20 Vortex-Moden und Umschaltcharakteristiken ähnlich den in Fig.7 gezeigten besitzt, können die Zellen 20 durch Anlegen der passend gewählten Koinzidenzströme zum Einschreiben einer binären Eins oder einer binaren Null und zum Auslesen der gespeicherten Information betrieben werden. Der dargestellte Teil der Matrize umfaßt nur vier Elemente, doch ergibt sich aus der Beschreibung, daß die hier 5 offenbarten Speicherzellen mit einem einzigen Flußquant ganz besonders zur Herstellung von Speichermatrizen hoher Dichte geeignet sind, bei denen eine große Anzahl der Zellen 20 Verwendung findet. Die bisherige Beschreibung der Erfindung bezog sich

ίο nur auf einzelne Josephson-Kontakte; es ist jedoch ersichtlich, daß auch die auf dem Josephson-Gebiet wohlbekannten InterferometerzeUen (DT-PS 12 43 292), die aus ähnlichen Zellen wie die in Fig. 1 gezeigten bestehen (mit der Ausnahme, daß in den mittleren Bereich 9 kein Tunneleffekt auftritt), für die Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, und zwar insoweit, wie eine Erhöhung des Kontaktwiderstands beider Josephson-Kontakte des Interferometers ebenfalls zu einer Erweiterung der Schwellwertcharakteristik für das Umschalten dieser Zelle führt, und zwar in ähnlicher Weise wie anhand von Fig.6 beschrieben. Ein Interferometer kann also in einem Arbeitsbereich gebraucht werden, in dem ein einzelnes Flußquant gespeichert ist und in dem ein eindeutiges Auslesen mit Hilfe von Koinzidenzströmen in gleicher Weise möglich ist wie anhand von Fig.7 beschrieben. Das Profil der Josephson-Stromdichte besitzt damit Ähnlichkeit mit denjenigen der Zellen in F i g. 1 und den F i g. 2A bis 4A mit der Ausnahme, daß der Betrag in den Mittelbereich zwischen dem Paar von Josephson-Kontakten gleich 0 ist. An seinen Grenzen kann das Profil herabgesetzt werden, um damit den Kontaktwiderstand zu erhöhen und die Dämpfung zu vermindern; dies kann dadurch erfolgen, daß die Dicke des Dielektrikums in gleicher Weise erhöht wird wie anhand von F i g. 1 beschrieben. In keinem Fall darf die Dicke des Dielektrikums so groß werden, daß der Josephson-Tunneleffekt durch das Dielektrikum unterbunden wird. Weiterhin sollte auch der Kontaktwider-

stand Rj der Bedingung ^l/3-g genügen; L und C können auch hier variiert werden, um den Wert des Kontaktwiderstands einzustellen. Die Interferometerzelle kann schließlich in ähnlicher Weise wie anhand von Fig.7 beschrieben, ausgelesen und eingeschrieben werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Speicherzelle mit einem Jpsepbson-Kontakt, bestehend aus zwei durch ein Dielektrikum getrennten supraleitenden Elektroden und einem darüber angeordneten Steuerleiter, wobei die Binärzustände der Zelle durch die Anwesenheit bzw. das Fehlen von vorzugsweise einem Flußschlauch (Vortex) im Kontakt dargestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Form einer oder beider Elektroden und/oder das Dickenprofil des Dielektrikums und/oder Elektrodenmaterialien mit verschiedenen Austrittsarbeiten zur Festlegung des fiber der Breite des Josephson-Kontakts aufgetragenen Profils der Josephson-Stromdichte (J_x (X), Fig.2) dient bzw. dienen, und zwar so, daß aft Rändern des Josephson-Kontakts eine größere Josephson-, Stromdichte als im mittleren Bereich vorhanden ist

2. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenform, das Material der Elektroden, das Material des Dielektrikums' sowie dessen Dicke jeweils so gewählt sind, daß die

Gleichung

erfüllt ist, worin Rj den

Widerstand, L die Induktivität und C die Kapazität eines Josephson-Kontakts bedeutet

3. Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand Rj der Zelle sowie ihre Kapazität (C) durch geeignete Wahl der Dicke des Dielektrikums bestimmt wird.

4. Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (C) durch Verwendung eines Dielektrikums mit höherer Dielektrizitätskonstante erhöht und/oder die Induktivität (L) durch die Elektrodenform und/oder durch die Verwendung von Elektrodenmaterial mit geringerer Eindringtiefe des Stromes vermindert wird.

5. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Dielektrikums zwischen den supraleitenden Elektroden (2,

3) an deren Rändern (7,8) vermindert ist

6. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Randbereiche (7,8) der supraleitenden Elektroden aus einem Metall mit einer geringeren Austrittsarbeit bestehen als der mittlere Bereich (9).

7. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder zwei Elektroden in ihrem Überlappungsbercich einen Einschnitt in der Mitte der Elektrode aufweisen.

8. Speicherzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschnitt (11) rechtwinkelig begrenzt ist

9. Speicherzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschnitt (12) spitzwinkelig ausgeführt ist

10. Speicherzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschnitt (13) krummlinig begrenzt ist

11. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß zwei Josephson-Kontakte nebeneinander angeordnet sind und daß die Josephson-Stromdichte zwischen diesen beiden Kontakten Null ist.

12. Verfahren zum Betreiben einer Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis U₁ dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschreiben und Auslesen einer Information Arbeits- (J_g) und Steuerströme (l_c) von der Größe an die Speicherzelle gleichzeitig angelegt werden, daß beim Einschreiben der Information der Arbeitspunkt in den gewünschten Vortex-Mode gelangt und daß beim nachfolgenden Auslesen der gespeicherten Information der Arbeitspunkt so verschoben wird, daß ein Umschalten in den spannungsbehafteten Zustand erfolgt, worauf ein Ausgangssignal am Ausgang der Zelle erzeugt wird.

13. Verfahren zum Betrieb einer Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß durch gleichzeitiges Anlegen der Arbeits- (Ig) und Steuerströme (I_c) an die Speicherzelle in Abhängigkeit von der einzuschreibenden Information der Arbeitspunkt in der Schwellwertkurve des. NuU-Vortex-Zustands bzw. des Plus-Vortex-Modes verschoben wird und daß beim nachfolgenden Auslesen der Arbeitspunkt unabhängig vom Zustand der Speicherzelle in einen ■Bereich oberhalb der Schwellwertkurve des Plus-Vortex-Modes verschoben wird, worauf die Speicherzelle in Abhängigkeit von der gespeicherten Information umgeschaltet wird oder nicht worauf am Ausgang ein Eins- oder Null-Signal erzeugt wird.