DE2623605C3

DE2623605C3 - Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer

Info

Publication number: DE2623605C3
Application number: DE2623605A
Authority: DE
Inventors: Hans Helmut Granite Springs N.Y. Zappe (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1978-09-28
Also published as: DE2623605B2; CA1044768A; FR2316749B1; JPS525296A; CH600692A5; SE404854B; FR2316749A1; DE2623605A1; BE841361A; AU499843B2; US3978351A; IL49644A; NL7607136A; AU1526076A; GB1534785A; JPS5732915B2; SE7606782L; AU4591679A; AU512128B2; IT1064303B

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrfach-Josephson-Kontakt-lnterferometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

losephson-Kontakte sind sowohl als Speicherelemente als auch als Schaltelemente zur Verwendung in schnellen logischen Schaltungen bekannt. Die Eigenschaften der losephson-Kontakte sind beschrieben in der Veröffentlichung: »The Tunneling Cryotron — A Superconductive Logic Element Based on Electron Tunneling« von J. Matisoo, Proc. IEEE, Februar 1967, Vol. 55, Nr. 2, S. 172-180. Ein logisches Element der in diesem Artikel beschriebenen Art besteht aus einer Torleitung und einer Steuerleitung, die oberhalb des Tores angeordnet, aber von diesem isoliert ist. Die Steuerleitung besteht im allgemeinen aus einem Supraleiter wie Niob, Zinn oder Blei. Der Josephson-Kontakt selbst besteht aus zwei sich überlappenden

ίο Streifen eines supraleitenden Materials. Im Überlappungsbereich 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.Toris und Steuerleitung werden normalerweise isoliert auf der supraleitenden Grundebene angeordnet.

Der Torstrom l_s wird durch den Kontakt zugeführt, der im Null-Spannungszustand eine Ausgangsimpedanz Zo kurzschließt. Wenn die Summe der Eingangsströme l_c den Josephson-Schwellenstrom auf einen Wert < l_g reduziert, schaltet der Kontakt auf einen Spannungspegel, der Vg < 2d/eist.(24/e = 2,5 mV für Bleikontakte.) Nach dem Umschalten erzeugt die Spannung V₄, einen Strom /_r = Vg/Za 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 Null-Spannungszustand zurückgestellt werden durch ein momentanes Absenken von l_e. Es

jü wurden jedoch auch schon nichthaltende Schaltkreise vorgeschlagen, vgl. W. B ä c h t ο I d, Digest of Technical Papers, I.S.S.C.C, Philadelphia, 146(1975).

Die Quanteninterferenz zwischen zwei parallelen losephson-Kontakten, auch Interferometer genannt, wurde beschrieben von R. C. J a k I e ν i c, J. L a m b e, J. E. M e r c e r e a u, A. H. S i I ν e r, Physical Review, 140, A1628,Novemoer 1965.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 17, Nr. 3, August 1974, S. 901 -902, in einem Artikel »Single Flux

•«ο Quantum Memory Cell for NDRO« beschreibt W. W. I u t ζ i ein Interferometer mit drei losephson-Kontakten und Mi'.teleinspeisung, in dem die Kontakte dieselbe Größe haben und dieselben Ströme führen. Diese Anordnung ist jedoch nicht auf größere Trennung

v> zwischen den Kurvenzweigen, sondern auf einen Überlappungsbereich, in dem drei Energiezustände möglich sind, angelegt. Die Anordnung befaßt sich weder mit Elementen, die in den Spannungszustand umschalten, noch betrifft sie einen großen Betriebsbereich für Elemente mit einer hohen Verstärkung.

Der Artikel »Three Junction Interferometer« von S t u e 1 m und W i 1 m s e η , in Applied Physics Letters, Bd. 20, Nr. II, Juni 1972, S. 456-458, beschreibt eine asymmetrisch gespeiste Anordnung aus drei Josephson-

-,"i Kontakten, in der alle Kontakte dieselbe Größe haben. In diesem Artikel wird erkannt, daß der Abstand zwischen den Zweigen der Schwellwertkurve eines Josephson-Kontaktes vergrößert werden kann durch einen zusätzlichen Kontakt zu dem bekannten Interfe-

Wi rometer. Während jedoch die Magnetfeldempfindlichkeit gegenüber bekannten Interferometern mit zwei Kontakten erhöht wird hat dieses asymmetrische Interferometer mit drei Josephson-Kontakten nicht den maximalen losephson .Stromdurchfluß bei Null-Span-

'. ι nung aus/.uw eisen, 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 J u t ζ i gezeigt ist. Alle diese Anordnungen befassen sich mit einer Verbesserung der Magnetfeldempfindlichkeit 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-Josephson-Kontakt-lnterferometer zu schaffen, das verbesserte Verstärkungs- un4 Betriebsgrenzen gegenüber den bekannten derartigen Schaltungen aufweist, im selbsthaltenden und im nichtselbsthaltenden Betrieb arbeiten kann, einen sehr niedrigen Stromverbrauch und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist.

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

Der Vorteil dieses Mehrfach-Josephson-Kontakt-Interferometer 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anschließend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. IA die Schwellwertcharakteristik 4. als Funktion von l_c für ein aus drei Kontakten bestehendes herkömmliches Interferometer mit Mittenzuführung, wobei die Kontakte alle dieselbe Größe haben und denselben größten Josephson-Strom /0 führen,

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

F i g. 2A die Schwellwertcharakteristik l_g als Funktion von /(. für ein aus drei Kontakten bestehendes Interferometer mit Mittenzuführung, wobei der mittlere Kontakt doppelt so viel Strom führt, 2 /0, wie die übrigen Kontakte,

Fig. 2B das Schema eines Interferometers mit Mittenzuführung, von dem ein Kontakt das Doppelte des größten ]osephson-Stroms der übrigen Kontakte führt; die Schwellwertcharakteristik hierfür ist in F i g. 2A gezeigt,

F i g. 3A die Schwellwertcharakteristik I_g als Funktion von /(. für ein symmetrisches Interferometer mit drei Kontakten und Doppelzuführung, wobei der mittlere Kontakt das Doppelte des größten Josephson-Stroms der anderen Kontakte führt,

Fig. 3B schematisch ein symmetrisches Interferometer mit Doppeb.uführung, bei dem ein Kontakt das Doppelte des größten josephson-Stroms der anderen Kontakte führt,

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

F i g. 5 eine perspektivische Darstellung des symmetrischen Interferometers mit Doppelzufühtung der Fig. 3Aund3B,

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

Wie oben schon bei der Beschreibung de:, Standes der Technik gezeigt wurde, sind asymmetrische Interferometer und Interferometer mit drei Kontakten und Mittenzuführung, wobei alle Kontakte dieselbe Größe 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 Größe, ein Interferometer mit Mittenzuführung und Kontakten, deren mittlerer doppelt so groß ist wie die beiden anderen und ein symmetrisches Interferometer mit Doppelzuführung und drei Kontakten beschrieben, von denen der mittlere das Doppelte des größten Josephson-Stroms führt. Außerdem werden Interferometer mit drei und vier Josephson-Kontakten und symmetrischer Doppelstromzuführung und demselben größten |osephson-Strom durch alle Kontakte beschrieben.

In Fig. IA ist die Schwellwertcharakteristik I_g als Funktion von l_c für ein herkömmliches Interferometer mit Mittenzuführung und drei Kontakten gezeigt, die alle dieselbe Größe haben und denselben größten Josephson-Strom I₀ führen. Für negative Werte von l_g und /fgibt es natürlich eine ähnliche Charakteristik; der Klarheit und Einfachheit halber ist hier nur die Schwellwertcharakteristik für positive Werte von /,..und I₁- gezeigt. Die Charakteristik der Fig. IA ist im Zusammenhang mit Fig. 1B 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 Torstroms I_g an das in F i g. IB gezeigte Bauelement und Bestimmung der Punkte, an denen das Bauelement der Fig. 1B in den Spannungszustand umschaltet, wenn der Torstrom I_g verändert wird, während der Steuerstrom l_c konstant gehalten wird

ίο oder umgekehrt. Die Schwellwertkurve 1 in Fig. IA zeigt also die Schaltschwelle für den 0,0-Vortexbetricb. während die Kurven 2 und 3 die Schaltschwelle für den 1,0- und den 1,1-Vortexbetrieb zeigen. Jedesmal, wenn der angelegte Torstrom die Schaltschwelle übcrschrei-

JS tet, die durch die Kurven 1, 2 und 3 angegeben ist. schaltet also das Bauelement der Fig. IB vom Null-Spannungszustand in den Spannungszustand um. In den Bereichen, wo die Kurven 1, 2 und 3 sich überlappen, werden die Grenzen dieser Kurven

in 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

•H zurückzuführen ist.

In Fig. IB haben die Kontakte Jl, /2 und /3 alle dieselbe Größe, und da auch alle anderen Parameter gleich sind, führen sie denselben größten Josephson-Strom /0. Diese Kontakte bilden in Verbindung mit den Induktivitäten 4, der zentral angeordneten Torstrom-Zufuhrleitung 5 und der Steuerleitung 6 das Interferometer 7, das die in Fig. IA gezeigte Schwellwertcharakteristik hat.
Mit dem Interferometer 7 und der in Fig. IA

Vi gezeigten zugehörigen Schwellwertcharakteristik erhält man den schraffierten Bereich, der sonst als Arbeitsbereich bezeichnet wird. Benutzt man für die Verstärkung das Verhältnis von l_g zud I₁- als sehr grobe Annäherung, so läßt sich aus Fig. IA entnehmen, daß

η 1 sich nur mit sehr engen Grenzen und einem genauen Wert des Stroms brauchbare Verstärkungen erzielen lassen.

Die in Fig. IB gezeigte Anordnung stellt insofern eine Verbesserung gegenüber Interferometern 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 I₁, und /_c verzichten konnte. Aus Fig. 1 B ist auch zu ersehen, daß die Ströme durch die Kontakte/l. /2 und /3 normalerweise gleich /ο · sin Φ sind und der Strom durch den Kontakt /2 anders ist als die Ströme durch die Kontakte J 1 und /3. weil der Strom durch /2 einen Weg mit niedriger Impedanz antrifft. Infolgedessen ist die Phase Φ des Stroms in den Kontakten nicht dieselbe wie vor der Umschaltung.

Um die mit dem Interferometer 7 der F i g. 1B verbundenen Probleme der Verstärkung und der Grenzwerte zu lösen, wurde der größte Josephson-Strom /odes Interferometers 7 erhöht, indem man durch den mittleren Schenkel des Interferometers 7 der F i g. 1B einen Strom 2 I₀ fließen ließ. Das resultierende Interferometer 8 ist schernatisch in Fig. 2B gezeigt, wobei der Kontakt /2 schematisch durch ein größeres X dargestellt ist als die Kontakte /1 und /3. 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 F i g. 1B 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.

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 Torstroms und des Steuerstroms zusammenhängen. Durch die vorliegende Erfindung werden die praktischen Probleme 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. wenn 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 l_e und I₁ wegen der Amplitude der Nebenkurve 2, die ebenfalls gegenüber der Amplitude der Nebenkurve 2 in F i g. 1A erhöht wurde. Somit lassen Verstärkung und Arbeitsbereich auf dieser Schaltung noch Wünsche offen. Was für die Phasendifferenz, im Zusammenhang mit F i g. 1B gesagt wurde, gilt auch für die in Fig. 2B gezeigte Anordnung.

In den Fi g. 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 Torstroms versehen ist Fig.3B zeigt schematisch ein Interferometer 9, das in jeder Hinsicht ähnlich aufgebaut ist wie das in Fig.2B gezeigte, der Torstrom wird jedoch über die in Fig.3B mit L_p bezeichneten Induktivitäten 10 zugeführt, und zwar an den Mittelpunkt der mit L bezeichneten Induktivitäten 4. Wie bei der in Fig.2B gezeigten Schaltung ist der mittlere Kontakt /2 doppelt so groß wie die Kontakte /1 und /3. Die Steuerleirung 6 ist mit den Induktivitäten 4 und den beiden Schleifen des Interferometers induktiv gekoppelt.

Die Schwellwertcharakteristik in F i g. 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 Josephson-Stroms der anderen Kontakte des Interferometers 9 führen kann. Fig. 3A

ίο zeigt klar, daß die Amplitude der Hauptkurve t höher ist als die der Hauptkurve 1 der F i g. 2A. Außerdem ist die Hauptkurve 1 in der Nähe der Spitze beträchtlich enger geworden und hat 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 F i g. 1B und 2B nötig waren, nicht mehr erforderlich. Zwischen der Hauptkurve 1 und der Nebenkurve 3 der F i g. 3B steht ein relativ breiter Arbeitsbereich zur Verfügung. Der schraffierte Arbeitsbereich in F i g. 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 4. 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 Hauptkrilerium bei der Herstellung von Interferometern mit mehreren Kontakten, großer Verstärkung und einem breiten Betriebsbereich ist die Stromzuführung in einer Art, daß die Phase Φ des Stroms 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 wird, daß die Phase Φ über allen Kontakten dieselbe ist Diese identische Phase läßt sich in dem in F i g. A gezeigten Schema dadurch erreichen, daß man die

so 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 2 /73 geteilt wird. Abhängig von der Anzahl verwendeter Kontakte läßt sich also diese symmetrische doppelte Stromzuführung sowohl in Interferometeni mit mehreren Kontakten benutzen, in denen der größte Josephson-Strom durch einen Kontakt größer ist als durch die anderen als auch in Interferometern, wo dei größte Josephson-Strom durch alle Kontakte derselbe

Wi ist Bei jeder beliebigen Anzahl von Kontakten können wenn die Phasen durch Bemessung der vom Torstrom durchflossenen Induktivitäten richtig eingestellt sind Interferometerschaltungen mit hoher Verstärkung unc verbesserten Arbeitsbereichsgrenzen aufgebaut wer s den.

In F i g. 5 ist das symmetrische Interferometer 9 mil doppelter Zuführung perspektivisch dargestellt. Die Schwellwertcharakteristik und die schematisch äquiva

lente Schaltung sind in den Fig. 3A, 3B gezeigt. Das Interferometer 9 besteht aus einer Grundplatte 11 aus supraleitendem Material, wie beispielsweise Niob. Eine dünne Oxydschicht 12 aus Nioboxyd (Nb₂O₅) trennt die Grundebene 11 von der nächsten Schicht, die die Basiselektroden der Kontakte /1, ] 2 und /3 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 Ji, J2, /3 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_c wird über die Steuerleitungen 16 angelegt. Der Torstrom I_g wird an den Anschluß 17 der Gegenelektrode 14 angelegt und fließt über das Element zum Anschluß 18 der Basiselektrode 13. In der in F i g. 5 gezeigten Anordnung wird der Torstrom I_g über zwei Zweige 19 zugeführt, die von der Basiselektrode 13 durch das Oxyd 15 räumlich getrennt sind und die Induktivitäten L₉ 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_p wurden in Fig. 3B mit 10 bezeichnet. Die Steuerleitungen 16 sind elektromagnetisch mit den Schleifen gekoppelt, die durch die Kontakte Ji, J 2. J3, die Induktivitäten 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-Funktion 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.

Die Kontakte Ji, J 2 und /3 werden auf die übliche Art dadurch gebildet, daß eine dünne Oxydschicht von 10 — 30 Ä Dicke eine Tunnelbarriere bildet zwischen Basis- und Gegenelektrode, die aus supraleitendem Material bestehen. Der Kontakt J 2 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 /2 einen doppelt so großen höchsten Josephson-Strom fuhren kann wie die Kontakte /1 und /3, ist er zweimal so lang. WeO die Induktivitäten 4 und 10 gebildet werden massen, macht man die Fläche des Kontaktes /2 am besten doppelt so groß wie diejenige der Kontakte /1 und /3, damit der Kontakt /2 den doppelten größten Josephson-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 regem, 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 größten Wert des Josephson-Stroms steuern durch Einstellen des Querschnitts, der Form oder der Länge und Breite der Einschnürung.

Außerdem kann anstelle des üblichen Josephson-Kontaktes mit Tunnelbarriere oder 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 F i g. 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 38 49 276 beschrieben ist. Oxyde können auch aufgedampft werden und durch fotolithographisches Maskieren und Ätzen mit den verschiedenen Metallschichten angeordnet werden.

Das in F i g. 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 Λ dicke Schicht 15 aus Siiiziumoxyd getrennt und haben unter diesen Umständen Werte von ungefähr 13 pHy. Der Hauptteil der Gegenelektrode 14, außer dem Anschluß 17 und den Zweigen 19, hat eine Größe von 51 · 269 μπι². Er bildet mit der Basiselektrode 13 durch Vertiefungen in der SiO-Schicht 15 die Kontakte. Die Kontakte Ji und /3 haben eine Fläche von etwa 9 · 11,5 μπι², der mittlere Kontakt /2 ist doppelt so lang. Zwei isolierte 13 μπι breite Steuerleitungen 16 sind über der Gegenelektrode 14 angeordnet. Die durch die Zweige 19 gebildeten Induktivitäten L₉ 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-Schwellwertstrom Im₀ = 4 · I₀ = 0,7 mA. Das Interferometer 9 arbeitet bei niedrigen Strompegeln im wesentlichen genauso wie bekannte Josephson-Kontakte. Die Stromaufnahme beträgt etwa 13 Mikrowatt im Dauerbetrieb 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-Schwellstroms.bei dem das Interferome ter 9 umschaltet, reduziert, und die Kontakte /1 bis /3 schalten in den Spannungszustand am 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 Zo haben, die gleich ist der Impedanz der Leitung. Die Last

21 kann aber auch mit jedem der Kontakte /1, /2, /3 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 Null-Spannungszustand zurückschaltet, kann dadurch erhöht werden, daß man eine kleine resistive Last zum Kontakt parallel legt. Die Hysteresis des Spannungszustandes von Josephson-Kontakten wird bekanntlich vernachlässigbar klein, wenn β = InCK¹IJ¹Po^l, worin Cdie Kontaktkapazität, l_m der größte Josephson-Strom, R der Wert einer resistiven Last, Φο ein Flußquant und β eine Dämpfungskonstante ist. Mit einer Last entsprechenden Widerstandes haben die Josephson-Schwingungen des Interferometers 9 eine Spannungsamplitude in derselben Größenordnung wie die der minieren Kontakigleichspannung. Die Amplitude dieser Schwingungen wächst mit abnehmendem Steuerstrom, und eine Selbstrückstellung 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 /_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 <0,15Ω. Bei den üblichen Schaltungsanwendungen können die abgeschlossenen Übertragungsleitungen ein nachfolgendes Element steuern.
In F i g. 6 ist ein Interferometer 22 mit vier Kontakten und einer symmetrischen doppelten Stromzufuhr gezeigt, die sicherstellt, daß die Phase des Stroms in jedem Kontakt vordem Umschalten immer dieselbe ist. Fig.6 unterscheidet sich von Fig.3B durch den zusätzlichen Kontakt /4 und dadurch, daß der Strom

to durch alle Kontakte derselbe ist. Unter den in F i g. 6 gezeigten Bedingungen trifft der Strom auf symmetrische Zufuhrimpedanzen, und weil die Ströme durch die Kontakte J\ bis /4 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 Überlegungen 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 größer 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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. josephson-lnterferometer mit mehreren parallelgeschalteten Josephson-Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme durch die Kontakte in deren spannungsfreiem Schaltzustand dieselbe Phasenlage aufweisen.

2. Josephson-lnterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Josephson-Kontakte mit einer isoliert über ihm angeordneten Steuerleitung versehen ist

3. Josephson-lnterferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometeranordnung parallel an einen Ausgangskreis (21,Fi g. 3b) mit Impedanz Za angeschlossen ist.

4. losephson-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gleiche Phasenlage der Arbeitsströms in dem Kontakt durch symmetrische Stromzuführungen erzielt wird.

5. Josephson-lnterferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zuführungsleitung für den Arbeitsstrom (l_g, Fig.3b) eine Induktivität (L_n, 10) enthält und an eine weitere Induktivität (L, A) angeschlossen ist, die zwischen jeweils zwei Josephson-Kontakten liegt, wobei zwischen den Induktivitäten die Beziehung L_p> L besteht.

6. Josephson-lnterferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei parallelgeschaltete losephson-Kontakte vorgesehen sind, deren mittlerer im Vergleich zu den äußeren den doppelten maximalen Josephson-Strom aufweist und daß die Zuführungsleitungen für den Arbeitsstrom symmetrisch an die Mittelpunkte der Induktivitäten (4, F i g. 3b) zwischen den Kontakten (11, / 2; / 2, / 3) angeschlossen sind.

7. Josephson-lnterferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleiche Josephson-Kontakte vorgesehen sind und daß die Stromzuführungen für den Arbeitsstrom so an die Induktivitäten zwischen jeweils zwei Josephson-Kontaklen angeschlossen sind, daß diese im Verhältnis ein Drittel zu zwei Drittel geteilt werden, wobei der jeweils kleinere Induktivitätsabschnitt den äußeren Josephson-Kontakten zugewandt ist.

8. losephson-Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleiche Josephson-Kontakte vorgesehen sind, daß jeweils zwischen zwei Kontaktpaaren die gleiche Induktivität (4, F i g. 6) vorgesehen ist und daß der Arbeitsstrom (l_g) den Kontakten über eine symmetrische Doppelleitung mit jeweils einer Induktivität (L_n, 10) und über die Mittelpunkte der beiden äußeren Induktivitäten zugeführt wird.