DE2623605A1

DE2623605A1 - Mehrfach-josephsonkontakt-interferometer

Info

Publication number: DE2623605A1
Application number: DE19762623605
Authority: DE
Inventors: Hans Helmut Zappe
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1977-01-13
Also published as: SE7606782L; IL49644A; DE2623605C3; SE404854B; FR2316749B1; CA1044768A; BE841361A; AU4591679A; AU1526076A; IT1064303B; DE2623605B2; IL49644A0; US3978351A; JPS525296A; NL7607136A; FR2316749A1; CH600692A5; JPS5732915B2; AU512128B2; AU499843B2

Description

ru-pi

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Araionk, IT.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der AnniGlderin: YO 974 040

Mehr f ach-Joseplisonkontakt-Interfferoructer

Die Erfindung betrifft ein Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferonieter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Josephson-Kontakte sind sowohl als Speicherelemente als auch als Schaltelemente zur Verwendung in schnellen logischen Schaltungen bekannt. Die Eigenschaften der Josephson-Kontakte sind beschrieben in der Veröffentlichung: "The Tunneling

i Cryotron - A Superconductive Logic Element Based on Electron ■

Tunneling" von J. Matisoo, Proc. IEEE, Februar 1967, Vol. 55,

Wr. 2, S. 172 - 180. Ein logisches Element der in diesem >

Artikel beschriebenen Art besteht aus einer Torleitung j

'und einer Steuerleitung, die oberhalb des Tores angeordnet ;aber von diesem isoliert ist. Die Steuerleitung besteht im ;

ί !

lallgemeinen aus einem Surpaleiter wie Niob, Zinn, oder \

Blei. Der Josephson-Kontakt selbst besteht aus zwei sich

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überlappenden Streifen eines supraleitenden Materials. Int Ueberlappungsbereich sind diese Streifen durch eine Tunnelbarriere voneinander getrennt, die aus einem Oxyd eines supraleitenden Metalls bestehen kann. Die Oxydbarriere hat im allgemeinen eine Dicke von 10 bis 30 Ä. Tor- und Steuerleitung werden normalerweise isoliert auf der supraleitenden Grundebene angeordnet.

Der Torstrom I wird durch den Kontakt geführt, der im Null-Spannungszustand eine Ausgangsimpedanz Z kurzschliesst. Wenn die Summe der Eingangsströme, I den. Josephson-Schwellen-Strom auf einen Kert < I reduziert, schaltet der Kontakt auf einen Spannungspegel, der V £ 2A/e ist. (2A/e ^s 2,5 mV für Bleikontakte.) Nach dem Umschalten erzeugt die Spannung V einen Strom I = V /Z in der Ausgangsimpedanz. Der resultierende Strom kann zum Steuern anderer Schaltkreise benutzt werden. In den meisten Fällen bleibt der geschaltete Kontakt im Spannungszustand und muss auf den NuI1-Spannungszustand zurückgestellt werden durch ein momentanes Absenken

von I . Es wurden jedoch auch schon nicht haltende Schaltkreise g

vorgeschlagen, vgl. W. Bächtold, Digest of Technical Papers, I..S.S.C.C, Philadelphia, 146

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Die Quanteninterferenz zwischen zwei parallelen Josephson-Kontakten, auch Interferometer genannt, wurde beschrieben von R. C. Jaklevic, J. Lambe, J. E. Mercereau, A. H. Silver, Physical Review, 140, A1628, November 1965.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 17, Xr. 3, August 1974, S. 901-902, in einem Artikel "Single Flux Quantum Memory Cell for NDRO" beschreibt W. W. Jutzi ein Interferometer mit drei Josephson-Kontakten und Mitteleinspeisung, in dem die Kontakte dieselbe Grosse haben und dieselben Ströme führen. Diese Anordnung ist jedoch nicht auf grössere Trennung zwischen den Kurvenzweigen sondern auf einen Ueberlappungsbereich, in dem drei Energiezustände möglich sind, angelegt. Die Anordnung befasst sich weder mit Elementen, die in den Spannungszustand umschalten, noch betrifft sie einen grossen ßetriebsbereich für Elemente mit einer hohen Verstärkung.

Der Artikel "Three Junction Interferometer" von Stuelm und Wilmsen, in Applied Physics Letters, Bd.-20, Nr. 11, Juni 1972, S. 458-460, beschreibt eine asymmetrisch gespeiste Anordnung aus drei Josephson-Kontakten, in der alle Kontakte dieselbe Grosse haben. In diesem Artikel wird erkannt, dass

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der Abstand zwischen den Zweigen der Schwellwertkurve eines Josephson-Kontaktes vergrößert werden kann durch einen zusätzlichen Kontakt zu dem bekannten Interferometer. Während jedoch die MagnetfeldGiupfindlichkeit gegenüber bekannten Interferometern mit zwei Kontakten erhöht wird, hat dieses asymmetrische Interferometer mit drei Josephson-Kontakten nicht den maximalen Josephson—Stromdurchfluß bei Null-Spannung auszuweisen, wenn kein Magnetfeld angelegt wird. Der Artikel zeigt jedoch, daß ohne angelegtes Magnetfeld der größte Strom durch das Interferometer fließt, wenn das Element symmetrisch gespeist wird, ähnlich wie es im genannten Artikel von Jutzi gezeigt ist. Alle diese Anordnungen befassen sich mit einer Verbesserung der Magnerfeldempfindlichkeit und nicht mit einer größeren Stromverstärkung bei gleichzeitiger Verbesserung der Betriebsgrenzen von Elementen, die in logischen Schaltungen zu benutzen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer zu schaffen, daß vorzugsweise drei Josephson-Kontakte aufweist, von denen der mittlere für die Führung eines größten Josephson-Stromes ausgelegt ist, daß verbesserte Verstärkung- und Betriebsgrenzen gegenüber den bekannten derartigen Schaltungen aufweist, im selbsthaltenden und im nichtselbsthaltenden Betrieb arbeiten kann, einen sehr niedrigen Stromverbrauch und eine hohe Schaltgeschwindig-

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keit aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich insbesondere aus dem Kennzeichen des Patenanspruchs 1.

Der Vorteil dieses Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferoiueter liegt vor allem in der hohen Verstärkungseigenschaft und im niedrigen Stromverbrauch, so daß sich logische Schaltungen mit einem Hohen Integrationsgrad und sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten aufbauen lassen.

Liin Ausführungsbeispiel dor Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anschließend näher beschrieben.

Us zeigen:

Fig. IA die Schwellwertcharakteristik, I als Funktion

von I für ein aus drei Kontakten bestehendes herkömmliches Interferometer mit Mittenzuführung, wobei die Kontakte alle dieselbe Größe haben und denselben größten Josephson-Strom I führen.

Fig. IB ein Schema eines Interferometers mit Mittenzuführung, bei dem alle Kontakte denselben größten Josephson-Strom führen.

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Fig. 2A die Schwellwertcharakteristik I als Funktion

von I für ein aus drei Kontakten bestehendes Interferometer mit Mittenzuführung, wobei der mittlere Kontakt doppelt so \^iel Strom führt, 21 , wie die übrigen Kontakte.

Fig. 2B das Schema eines Interferometers mit Mittenzuführung, von dem ein Kontakt das doppelte des grössten Josephson-Stromes der übrigen Kontakte führt; die Schvrellwertcharakteristik hierfür ist in Fig. 2A gezeigt.

Fig. 3A die Schwellwertcharakteristik I als Funktion von

I für ein symmetrisches Interferometer mit drei c ^J

Kontakten und Doppelzuführung, wobei der mittlere Kontakt das doppelte des grössten Josephson-Stromes der anderen Kontakte führt.

Fig. 3B schematisch ein symmetrisches Interferometer mit Doppelzuführung, bei dem ein Kontakt das doppelte des grössten Josephson-Stromes der anderen Kontakte führt.

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Fig. 4 schematisch eine Interferometerschaltung ähnlich wie die Fig. IB, jedoch mit symmetrischer Doppelstromzuführung nach Fig. 3B.

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des symmetrischen Interferometers mit Doppelzuführung der Fig. 3A und 3B.

Fig. 6 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Interferometers mit vier Josephson-Kontakten.

Wie oben schon bei der Beschreibung des Standes der Technik gezeigt wurde, sind asymmetrische Interferometer und Interferometer mit drei Kontakten und Mittenzuführung, wobei alle Kontakte dieselbe Grosse haben und denselben Strom führen, allgemein bekannt. Diese herkömmlichen Anordnungen werden zunächst mit erfindungsgemässen Schaltungen verglichen. In der nachfolgenden Beschreibung werden daher ein Interferometer mit Mittenzuführung und Kontakten gleicher Grosse, ein Interferometer mit Mittenzuführung und Kontakten, deren mittlerer doppelt so gross ist wie die beiden anderen und ein symmetrisches Interferometer mit Doppe!zuführung und drei Kontakten

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beschrieben, von denen der mittlere das doppelte des grössten Josephson-Stromes führt. Ausserdem werden Interferometer mit drei und vier Josephson-Kontakten und symmetrischer Doppelstromzuführung und demselben grössten Josephson-Strom durch alle Kontakte beschrieben.

In Pig. IA ist die Schwellwertcharakteristik I als Funktion von I für ein herkömmliches Interferometer mit Mittenzuiührung und drei Kontakten gezeigt, die alle dieselbe Grosse haben und denselben grössten Josephson-Strom I führen. Für negative Werte von I und I gibt es natürlich eine ähnliche Charakteristik; der Klarheit und Einfachheit halber ist hier nur die Schwellwertcharakteristik für positive Werte von I

und I gezeigt. Die Charakteristik der Fig. IA ist im Zusammenhang mit Fig. IR zu sehen, die ein Interferometer mit Mittenzuführung zeigt, dessen sämtliche Kontakte denselben grössten Josephson-Strom führen.

Die Schwellwertcharakteristik der Fig. IA erhält man durch Anlegen des Torstromes I an das in Fig. IB gezeigte Bauelement und Bestimmung der Punkte, an denen das Bauelement der Fig. IB in den Spannungszustand umschaltet, wenn der

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Torstrom I verändert wird, während der Steuerstrom I konstant gehalten wird oder umgekehrt. Die Schv:elJwertkurve 1 in Fig. IA zeigt also die Schaltschwelle für den 0,0-Vortexbetrieb, während die Kurven 2 und 3 die Schaltschwelle für den l_v0 und den 1,1-Vortexbetrieb zeigen. Jedesmal wenn der angelegte Torstrom die Schaltschwelle überschreitet, die durch die Kurven 1, 2 und 3 angegeben ist, schaltet also das Bauelement der Fig. IB vom Xull-Spannungszustand in den Spannungszustand um. in den Bereichen, wo die Kurven 1, 2 und sich überlappen, werden die Grenzen dieser Kurven bestimmt durch Abfühlen der Zustandsänderung zwischen den Vortexbetriebsarten. Diese Zustandsänderungen können abgefühlt werden durch Messen des Stromimpulses, der auf das Festhalten und Ausstossen von Flussquanten aus dem Bauelement der Fig. IB zurückzuführen ist.

In Fig. IB haben die Kontakte Jl, J2 und J3 alle dieselbe Grosse,und da auch alle anderen Parameter gleich sind, führen sie denselben grössten Josephson-Strom I . Diese Kontakte bilden in Verbindung mit den Induktivitäten 4, der zentral angeordneten Torstrom-Zufuhrleitung 5 und der Steuerleitung

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das Interferometer 7, das die in Fig. IA gezeigte Schwellwertcharakteristik hat.

Mit dem Interferometer 7 und der in Fig. IA gezeigten zugehörigen Schwellwertcharakteristik erhält man den schraffierten Bereich, der sonst als Arbeitsbereich bezeichnet wird. Benutzt man für die Verstärkung das Verhältnis von I zu I als sehr grobe Annäherung, so lässt sich aus Fig. IA entnehmen, dass sich nur mit sehr engen Grenzen und einem genauen Wert des Stromes brauchbare Verstärkungen erzielen lassen.

Die in Fig. IB gezeigte Anordnung stellt insofern eine Verbesserung gegenüber Interferone tern mit zwei Kontakten dar, als der zusätzliche dritte Kontakt die Kurven auseinanderschiebt. Die Verstärkung wurde dabei aber nicht wesentlich verbessert und auch der Arbeitsbereich insofern nicht vergrössert, als man nicht auf eine genaue Regelung von I und I verzichten konnte. Aus Fig. IB ist auch zu ersehen, dass

die Ströme durch die Kontakte Jl, J2 und J3 normalerweise gleich I · sin φ sind und der Strom durch den Kontakt J2 anders ist als die Ströme durch die Kontakte Jl und J3, weil der Strom durch J2 einen Weg mit niedriger Impedanz antrifft.

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Infolgedessen ist die Phase φ des Stromes in den Kontakten nicht dieselbe vor der Umschaltung.

Um die mit dem Interferometer 7 der Fig. IB verbundenen Probleme' der Verstärkung und der Grenzwerte zu lösen, wurde der grösste Josephson-Strom I des Interferometers 7 erhöht, indeir. man durch den mittleren Schenkel des Interferometers 7 der Fig. IB einen Strom 21 fliessen liess. Das resultierende Interferometer 8 ist schematisch in Fig. 2B gezeigt, wobei der Kontakt J2 schematisch durch ein grösseres X dargestellt ist als die Kontakte Jl und J3. Das Interferometer 8 hat ebenfalls Mittenzuführung über die Torstromleitung 5 und wird gesteuert über die Steuerleitung 6. Die Induktivitäten 4 haben denselben Wert und sind ähnlich angeordnet wie die bei der in Fig. IB gezeigten Schaltung.

Die Kurve in Fig. 2A, die ähnlich ist wie die in Fig. IA, zeigt die Schwellwertcharakteristik des Interferometers 8 der Fig. 2B. Die Amplitude der Haupt- und Nebenkurven 1, 2, 3 wurde über die Werte erhöht, die in Fig. IA gezeigt sind. Das bedeutet, dass die Verstärkung des Interferometers 8 gegenüber derjenigen des Interferometers 7 verbessert wurde.

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Die Amplitude der Kurve 2 in Fig. 2A wurde ebenfalls vergrössert, wodurch Bauelemente wie das Interferometer 8 Grenzproblemen ausgesetzt sind, die mit der Amplitudengenauigkeit des Torstromes und des Steuerstromes zusammenhängen. Durch die vorliegende Erfindung werden die praktischen Probleeme gelöst, die bei der heutigen Technik nicht dadurch gelöst werden können, dass man einfach sehr grosse Torströme und sehr kleine Steuerströme anlegt und dadurch theoretisch eine sehr hohe Verstärkung erhält. Ungeachtet der theoretischen Möglichkeiten verlangt die Praxis eine Schaltung, die auch noch zufriedenstellend arbeitet, \\^?enn eine Anzahl von Parametern von ihrem Nominalwert abweicht. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung hat zwar eine gute Verstärkung und auch einen verbesserten Arbeitsbereich, verlangt jedoch immer noch eine sehr genaue Steuerung der Parameter I und I wegen der Amplitude der Nebenkurve 2, die ebenfalls gegenüber der Amplitude der Nebenkurve 2 in Fig. IA erhöht wurde. Somit lassen Verstärkung und Arbeitsbereich auf dieser Schaltung noch Wünsche offen. Was für die Phasendifferenz im Zusammenhang mit Fig. IB gesagt wurde, gilt auch für die in Fig. 2B gezeigte Anordnung.

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In den Fig. 3A und 3B ist die Schwellwertcharakteristik für ein Interferometer mit drei Kontakten gezeigt, deren mittlerer einen doppelt so grossen höchsten Josephson-Strom führt wie die beiden anderen, und das mit einer symmetrischen Doppelzuführung für das Anlegen des Torstromes versehen ist. Fig. 3B zeigt schematisch ein Interferometer 9, das in jeder Hinsicht ähnlich aufgebaut ist wie das in Fig. 2B gezeigte, der Torstror, wird jedoch über die in Fig. 3B mit L bezeichneten Induktivität·: 10 zugeführt, und zwar an den Mittelpunkt der mit L bezeichneten Induktivitäten 4. Wie bei der in Fig. 2B gezeigten Schal tür.; ist der mittlere Kontakt J2 doppelt so gross wie die Kontakte Jl und J3. Die Steuerleitung 6 ist mit den Induktivitäten 4 und den beiden Schleifen des Interferometers induktiv gekoppelt, Die Schwellwertcharakteristik in Fig. 3A zeigt, dass bei dem in Fig. 3B dargestellten Interferometer 9 die Verstärkung und der Arbeitsbereich dadurch wesentlich verbessert wurden, dass eine symmetrische doppelte Zuführung und ein Kontakt vorgesehen wurden, der das Doppelte des grössten Jos-ephson-Stroms der anderen Kontakte des Interferometers 9 führen kann. Fig. 3A zeigt klar, dass die Amplitude der Hauptkurve 1 höher ist als die der Hauptkurve 1 der Fig. 2A. Ausserdem ist die Hauptkurve 1 in der Nähe der Spitze beträchtlich enger geworden und hat

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unter Anwendung der groben Näherung des Verhältnisses von Torstrom zu Steuerstrom eine Verstärkung von mehr als 3. Da die Amplitude der Nebenkurve 2 ausserdem jetzt beträchtlich heruntergesetzt werden konnte, sind die extrem engen Toleranzen für den Torstrom und den Steuerstrom, die für die Interferometer in den Fig. IB und 2B nötig waren, nicht mehr erforderlich. Zwischen der Hauptkurve 1 und der Nebenkurve 3 der Fig. 3B steht ein relativ breiter Arbeitsbereich zur Verfügung. Der schraffierte Arbeitsbereich in Fig. 3B zeigt die Verbesserung auf den ersten Blick. In der das vorgezogene Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigenden. Fig. 3B ist der Wert der Induktivitäten 10 dreimal so gross wie der Wert der Induktivität Der Wert der Induktivität 10 kann vorzugsweise zwischen dem zweifachen und dem fünffachen des Wertes der Induktivität 4 liegen. Alle diese Werte liefern eine verbesserte Verstärkung und einen grösseren Betriebsbereich gegenüber der in Fig. IB gezeigten Anordnung. Nach Darstellung in Fig. 3B sind die Induktivitäten 10 mit den Mittelpunkten der induktivitäten 4 verbunden, der Anschluss an die Induktivitäten 4 kann aber natürlich auch an anderen Stellen erfolgen. Das Hauptkriterium bei der Herstellung von Interferometern mit mehreren Kontakten, grosser Verstärkung und einem breiten Betriebsbereich ist die

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Stromzuführung in einer Art, dass die Phase φ des Stromes über den Kontakten bei angelegtem Null-Feld unmittelbar vor dem Umschalten immer dieselbe ist. Dieses Kriterium gilt ungeachtet dessen, wieviel Kontakte benutzt werden sollen. Somit können auch herkömmliche Anordnungen, ähnlich wie sie in Fig. IB gezeigt sind, eine grössere Verstärkung und einen besseren Betriebsbereich haben, wenn sichergestellt \\^rird, dass die Phase φ über allen Kontakten dieselbe ist. Diese identische Phase lässt sich in dem in Fig. 4 gezeigten Schema dadurch erreichen, dass man die symmetrische Doppelstromzuführung so anordnet, dass die Induktivitäten 10 mit den Induktivitäten 4 auf eine Art verbunden sind, dass die letztere im Verhältnis L/3 zu 2L/3 geteilt wird. Abhängig von der Anzahl verwendeter Kontakte lässt sich also diese symmetrische doppelte Stromzuführung sowohl in Interferometern mit mehreren Kontakten benutzen, in denen der grösste Josephson-Strom durch einen Kontakt grosser ist als durch die anderen als auch.in Interferometern, wo der grösste Josephson-Strom durch alle Kontakte derselbe ist. Bei jeder beliebigen Anzahl von Kontakten können, wenn die Phasen durch Bemessung der vom Torstrom durchtlossenen Induktivitäten richtig eingestellt sind, Interferometerschaltungen mit hoher Verstärkung und verbesserten Arbeitsbereichsgrenzen aufgebaut werden.

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In Fig. 5 ist das symmetrische Interferometer 9 mit doppelter Zuführung perspektivisch dargestellt. Die Schwellwertcharakteristik und die schematisch äquivalente Schaltung sind in den Fig. 3Λ, 3B gezeigt. Das Interferometer 9 besteht aus einer Grundplatte 11 aus supraleitendem Material wie beispielsweise Niob. Eine dünne Oxydschicht 12 aus Niob oxy d (Nb-O₁-J trennt die Grundebene 11 von der nächsten Schicht, die die Basiselektroden der Kontakte Jl, J2 und J3 bildet. Die Induktivitäten L werden durch Supraleiter, nämlich die Grundelektrode 13 und die Gegenelektrode 14,aus Bleilegierung gebildet. Die Induktivitäten werden bestimmt durch die Schichten 13 und 14 und die Oxydschicht 15, z.B. Siliziumoxyd, die wesentlich dicker ist als das Oxyd zwischen den Teilen der Gegenelektrodenschicht 14, die sich näher zur Basiselektrode 13 durch Vertiefungen in der Oxydschicht 15 erstrecken und die Kontakte Jl, J2, J3 bilden. Zwei isolierte Steuerleitungen 16 liegen über der Gegenelektrode 14 und werden durch eine nicht dargestellte Isolierschicht in einem bestimmten Abstand von dieser Gegenelektrode 14 gehalten. Der Steuerstrom I wird über die Steuerleitungen 16 angelegt. Der Torstrom Ι_σ wird an den Anschluss 17 der Gegenelektrode 14 angelegt und fliesst über das Element zum Anschluss 18 der Basiselektrode 13. In der in Fig. 5

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gezeigten Anordnung wird der Torstrom I über zwei Zweige 19 zugeführt, die von der Basiselektrode 13 durch das Oxyd 15 räumlich getrennt sind und die Induktivitäten L bilden, die den Wert 3·L haben. Die Zweige 19 bilden die symmetrische Doppelzuführung, die an die Gegenelektrode 14 angeschlossen ist, die durch die räumliche Trennung von der Basiselektrode 13 durch die Oxydschicht 15 Induktivitäten des Wertes L bildet. Die Zweige 19 sind so ausgelegt, dass sie die Mittelpunkte der Induktivitäten L speisen, die in Fig. 3B mit 4 bezeichnet sind. Die Induktivitäten L wurden in Fig. 3B mit 10 bezeichnet. Die Steuerleitungen 16 sind elektromagnetisch mit den Schleifen gekoppelt, die durch die Kontakte Jl, J2, J3, die Induktivitäte; L, die Basis- und Gegenelektrode und die zugehörige Metallisierung gebildet werden. Weil die Steuerleitungen 16 mit den Schleifen gekoppelt sind, können verschiedene logische Funktionen wie UND, ODER usw. ausgeführt werden. Für die UND-Funkti·: müssen beispielsweise beide Steuerleitungen 16 erregt sein, bevor die Schaltungsanordnung 9 umschaltet. Für-eine ODER-Operation schaltet die Anordnung 9 um, wenn die eine oder die andere der Steuerleitungen 16 erregt ist. Die Anzahl der verwendbaren Steuerleitungen 16 ist nur durch die Möglichkeit begrenzt, sie in die richtige Lage zu bringen.

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Die Kontakte Jl, J2 und J3 werden auf die übliche Art dadurch gebildet, dass eine dünne Oxydschicht von 10 - 30 A Dicke eine Tunnelbarriere bildet zwischen Basis- und Gegenelektrode, die aus supraleitendem Material bestehen. Der Kontakt J2 beispielsweise hat in der Fig. 5 eine dünne Oxydschicht 20, die die Tunnelbarriere zwischen der Basiselektrode 13 und der Gegenelektrode 14 bildet. Damit der Kontakt J2 einen doppelt so grossen höchsten Josephson-Strom führen kann wie die Kontakte Jl und J3, ist er zweimal so lang. Weil die Induktivitäten 4 und 10 gebildet \\'erden müssen, macht man die Fläche des Kontaktes J2 am besten doppelt so gross wie diejenige der Kontakte Jl und J3, damit der Kontakt J2 den doppelten grössten Josephsc]:- Strom führt. Natürlich kann man den grössten Josephson-Strom in einem der Kontakte auch auf andere Weise erhöhen, beispielsweise durch Vorsehen einer anderen Arbeitsfunktion für eine der Elektroden. Die Dicke des Tunneloxyds kann man auch so regeln, dass der grösste Josephson-Strom gesteuert wird. Anstelle der hinreichend bekannten Josephson-Strukturen mit Tunneloxyden können auch bekannte Kontaktanordnungen mit schwacher Verbindung, sogenannte Weak Links, eingesetzt werden, die andere Tunnelbarrieren enthalten. In einem solchen Fall kann man den

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grössten Wert des Josephson-Stromes steuern durch Einstellen des Querschnittes, der Form oder der Länge und Breite der Einschnürung.

Ausserdem kann anstelle des üblichen Josephson-Kontaktes mit Tunnelbarriere und schwacher Verbindung natürlich auch ein normales Metall oder ein Vakuum für die Tunnelbarriere eingesetzt werden. Bauelemente der erstgenannten Art sind in Fachkreisen bekannt als S-N-S-Bauelemente (supraleitendes Metall normales Metall - supraleitendes Metall). In diesen Bauelementen kann der grösste Josephson-Strom. auf jede der vorgeschlagenen Arten gesteuert werden, so dass man in wenigstens einem der ein Interferometer bildenden Kontakte einen anderen grössten Josephson-Strom erhält. Das in Fig. 5 gezeigte Interferometer 9 kann auf jede bekannte Art hergestellt werden. So können die Metallschichten durch Vakuumniederschlag, die Kontaktoxyde durch Aufsprühen gebildet und ihre Dicke gesteuert werden, wie es z.B. in der US-Patentschrift 3 849 276 beschrieben ist. Oxyde können auch aufgedampt werden und durch fotolithographisches Maskieren und Aetzen mit den verschiedenen Metallschichten angeordnet werden.

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Das in Fig. 5 gezeigte Interferometer 9 kann z.B. folgende Parameter aufweisen. Die Basiselektrode 13 ist von der Grundplatte 11 aus Niob durch eine 500 Ä dicke Schicht 12 aus Nioboxyd isoliert. Die aus Bleilegierungssupraleitern durch die Schichten 13 und 14 gebildeten Induktivitäten L sind voneinander durch eine 4000 Ä dicke Schicht 15 aus Siliziumoxyd getrennt und haben unter diesen Umständen Werte von ungefähr 1,3 pHy. Der Hauptteil der Gegenelektrode 14, ausser dem An-

2 Schluss 17 und den Zweigen 19, hat eine Grosse von 51 · 269 ym .

Er bildet mit der Basiselektrode 13 durch Vertiefungen in der SiO Schicht 15 die Kontakte. Die Kontakte Jl und J3 haben eine

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Fläche von etwa 9 · 11,5 ym , der mittlere Kontakt J2 ist doppeV so lang. Zwei isolierte 13 pm breite Steuerleitungen 16 sind über der Gegenelektrode 14 angeordnet. Die durch die Zweige 19 gebildeten Induktivitäten L und die Basiselektrode 13 haben Werte von annähernd 3,9 pHy.

Das Interferometer 9 hat eine ähnliche I-V-Charakteristik wie andere Josephson-Kontakte. Es hat einen Nullfeld-Schwellwertstror I = 4·I = 0,7 mA. Das Interferometer 9 arbeitet bei niedrimo ο

gen Strompegeln im wesentlichen genauso wie bekannte Josephson-Kontakte. Die Stromaufnahme beträgt etwa 1,5 Mikrowatt im Dauer-

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betrieb bei angemessener Last. Wenn das Interferometer 9 im Selbsthaltebetrieb arbeitet, wird eine gepulste Stromquelle gebraucht, um die Rückstellung nach jedem logischen Zyklus sicherzustellen. Legt man also einen Steuerstrom an, der ein magnetisches Feld erzeugt, das wiederum magnetisch mit dem Interferometer 9 gekoppelt ist, so wird der Höchstwert des Josephson-Schwellstromes, bei dem das Interferometer 9 umschaltet, reduziert, und die Kontakte Jl bis JZ schalten in den Spannungszustand um und liefern im wesentlichen den gesamten Torstrom an eine entsprechend angepasste Last, die mit dem Interferometer 9 parallel geschaltet ist. Die Anschaltung der Last 21, die schematisch in Fig. 3B gezeigt ist, erfolgt auf übliche Weise über Leitungen und kann eine Impedanz Z haben, die gleich ist der Impedanz der Leitung. Die Last 21 kann aber auch mit jedem der Kontakte Jl, J2, J3 parallel gelegt werden.

Das Interferometer 9 kann im selbsthaltenden und im nicht selbsthaltenden Betrieb arbeiten. Der Mindeststrom, bei dem ein Josephson-Kontakt aus dem Spannungszustand in den NuIl-Spannungszustand zurückschaltet, kann dadurch erhöht werden, dass man eine kleine resistive Last zum Kontakt parallel legt. Die Hysteresis des Spannungszustandes von Josephson-Kontakten

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2 wird bekanntlich vernachlässigbar klein, wenn β = 2ttCR I /φ ^2 worin C die Kontaktkapazität, I der grösste Josephson-Strom, R der Wert einer resistiven Last, φ ein Flussquant und $ eine Dämpfungskonstante ist. Mit einer Last entsprechenden Widerstandes haben die Josephson-Schwingungen des Interferometers eine Spannungsamplitude in derselben Grössenordnung wie die der mittleren Kontaktgleichspannung. Die Amplitude dieser Schwingungen wächst mit abnehmendem Steuerstrom, und eine Selbst rückstellung kann erfolgen, wenn beim negativen Ausschlag einer solchen Schwingung die Kontaktspannung momentan Null ist. In den üblichen Josephson-Kontakten ist die Kapazität der Kontakte jedoch im allgemeinen so gross, dass der nicht selbsthaltende Betrieb unvernünftig niedrige Ausgangsleitungsimpedanzen verlangt. In Interferometern können jedoch sowohl C als auch I

^J m

klein gehalten werden. Die Verwendung von Interferometern nach Art des Interferometers 9 gestattet somit eine Selbstrückstellung bei höheren Impedanzen. Der nicht selbsthaltende Betrieb des Interferometers 9 kann erreicht werden mit einem externen Lastwiderstand ± 0,15 Ω. Bei den üblichen Schaltungsanwendungen können die abgeschlossenen Uebertragungsleitungen ein nachfolgendes Element steuern.

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•ti

In Fig. 6 ist ein Interferometer 22 mit vier Kontakten und einer symmetrischen doppelten Stromzufuhr gezeigt, die sicherstellt, dass die Phase des Stromes in jedem Kontakt vor dem Umschalten immer dieselbe ist. Fig. 6 unterscheidet sich von Fig. 3B durch den zusätzlichen Kontakt J4 und dadurch, dass der Strom durch alle Kontakte derselbe ist. Unter den in Fig. 6 gezeigten Bedingungen trifft der Strom auf symmetrische Zufuhrimpedanzen, und weil die Ströme durch die Kontakte Jl bis J4 dieselben sind, ist die Phase in den Kontakten dieselbe und somit die Beziehung von Strom und Induktivität linear. Wenn jedoch einer dieser Werte verändert wird, müssen die Induktivitätswerte geändert werden, um sicherzustellen, dass über den Kontakten Strom derselben Phase fliesst. Diese Werte können mathematisch bestimmt werden.

Der grösste Josephson-Strom in einem der Kontakte ist natürlich nicht auf zwei begrenzt sondern kann, lediglich durch praktische Ueberlegungen beschränkt, auch drei," vier oder fünf betragen. Er braucht in einem Kontakt nur um einen Bruchteil höher zu sein, um bereits eine Verbesserung zu erzielen. Der grösste Josephson-Strom kann natürlich auch in mehreren Kontakten grosser

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sein. Verstärkung und Arbeitsbereich werden verbessert, solange die Phase über allen Kontakten dieselbe ist. Darauf können die Induktivitäten oder der Strom durch die Kontakte eingestellt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

;,1. ) Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferonieter mit wenigstens drei parallelgeschalteten Josephson-Kontakten, die einen Josephson-Strom führen können, wobei der mittlere Josephson-Kontakt so ausgeführt ist, daß er einen größeren Strom als die anderen Kontakte führen kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Steuerelement (16) elektrisch isoliert von den Josephson-Kontakten angeordnet ist, das mindestens einen der Josephson-Kontakte steuern kann, und daß die die Josephson-Kontakte infolge des anliegenden Signals durchfließenden Ströme eine gleiche Phasenlage aufweisen, solange die Josephson-Kontakte im spannungsfreien Schaltzustand sind.

2. Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometar nach Anspruch \ 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer von den drei Josephson-j

j Kontakten den doppelten maximalen Josephson-Strom führt j

i als jeder der beiden anderen. j

j3. Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer nach den Ansprüchen ^] 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für drei oder mehr ^! Josephson-Kontakte mehrere Stromzufuhrungsleitungen angeordnet sind, die an Verbindungen von je zwei Josephson-Kontakten angeschlossen sind.

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4. Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferorneter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stromzuführungsleitung eine Induktivität L enthält und daß jede Verbindung zwischen zwei Josephson-Kontakten eine Induktivität L enthält, wobei die Beziehung gilt

L > L.
P

5. Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den doppelten Josephson-Strom aufweisende Josephson-Kontakt (32) in der Mitte und die beiden anderen Josephson-Kontakte (31, 33) seitlich von und symmetrisch zu demselben angeordnet sind.

6. Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Josephson-Kontakte angeordnet sind, die alle denselben maximalen Josephson-Strom führen.

:7. Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer nach den An-ι Sprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei- ; tungen im Verhältnis 2L/3 zu L/3 durch die Stromzuführungsleitungen angezapft sind, wobei das 2L/3 ent-■ sprechende Stück den mittleren Kontakt und das L/3 ent— j sprechende Stück den jeweils äußeren Josephson-Kontakt speist.

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8. Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement zur Bestimmung der Phasenlage des Stromes mit der Stromzuführung des Interferometers verbunden ist.

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