JP2002280627A - Superconductive switching element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】電子情報分野においては、中
央演算装置(Central Processing
Unit;CPU)、および、記憶装置、伝送装置に使
用する高速スイッチング素子として用いられる。高周波
での動作が可能であり、電気的な信号を高エネルギーの
フォトンに変換する素子、および、フォトンを電気的な
信号に変換する素子として用いられる。BACKGROUND OF THE INVENTION In the field of electronic information, a central processing unit (Central Processing) is used.
(Unit; CPU) and a high-speed switching element used for a storage device and a transmission device. It is capable of operating at a high frequency and is used as an element for converting an electric signal to a high-energy photon and an element for converting a photon to an electric signal.
【0002】[0002]
【従来の技術】コンピュータ分野における情報処理量の
膨張のため、コンピュータの心臓部にあたる中央演算装
置(Central Processing Uni
t;CPU)のオーダーレベルでの高速化に対する要請
がある。CPUの高速化は、これまで、「縮小則」と呼
ばれる行動原理にゆだねられ、素子の集積化によって行
われてきた。しかし、この「縮小則」による高速化に限
界が見え始めている。この問題を乗り越えるために超伝
導を応用した素子が考案されてきたが、実用化に至って
いない。これは、電流を仕切るために素子に用いられて
いる誘電体材料の存在によるものと考えられる。もし、
誘電体材料を用いないで電流を仕切ることができれば、
超伝導材料を用いた超高速のスイッチング動作の問題が
解決されると思われる。この申請書において、申請者
は、誘電体障壁を用いない4端子スイッチング素子を提
案する。W.B.Schockley、J.Barde
en、W.H.Brattainらが1948年にトラ
ンジスター効果を発見して以来、コンピュータに用いら
れている半導体素子は、世界を変貌させる概念を数々創
り出してきた。データを処理する速度は、概念の変化の
流れに合わせ、最高速であることを要求されてきた。電
子デバイス分野においても、この「流れ」に追従するた
めに、構成素子は、「縮小則」に基づき集積されてき
た。「縮小則」とは、集積回路の基本要素である電界効
果トランジスタ(Field Effect Tran
sistor;FET)を含む回路全体の、抵抗値と静
電容量の積を小さくすることによって、高速でのスイッ
チングを可能にするという概念である。しかし、私たち
は、現代社会の要請をこの「縮小則」によって乗り越え
ることができないことに気づき始めている。なぜなら、
FETのスイッチング動作は、FETのゲート近傍のキ
ャリアをバイアス電圧によって制御することによって行
っているため、キャリアの移動度に依存してしまうので
ある。最近、Y.Nishiは、2010年までの長期
的なCPUの動作周波数上昇の見通しをたてた。それに
よると、2010年においても、動作周波数は、1.1
x109Hzまでであることが予言されている1。つま
り、CPUの情報処理能力は、高々数倍になるだけであ
る。このことは、巨大なソフトウェアによって処理され
る莫大な量の情報処理量が、キャリアの移動度に依存し
ていることを意味する。一方、B.D.Josephs
onによって提唱された超伝導素子は、高速で動作し、
低消費電力であることが知られている2。しかし、Jo
sephson素子は、7x108Hz以上のスイッチ
ング周波数において、カオス的な信号のゆらぎによる雑
音が支配的となるため、高数波数領域での実用には供さ
れてはいない。その上、トンネル障壁が存在することに
よる透過率の減少、信号の遅延、および、熱ひずみに対
する機械的な脆さ、という性質を有している。K.A.
Muller、J.G.Bednorzらによって発見
された酸化物超伝導体3は、高温で動作する素子への応
用が期待されていたが、未だにスイッチング素子として
実用化されていない。数多くの試行にもかかわらず実用
化されなかったのは、酸化物超伝導体自らが有する特性
のためであった。この申請書では、金属超伝導体超格子
を用いることによって、実用化へ向けての問題をすべて
解決できることを示す。2. Description of the Related Art Due to an increase in the amount of information processing in the field of computers, a central processing unit (Central Processing Uni) at the heart of the computer.
t; CPU) on the order level. Up to now, the speeding-up of the CPU has been delegated to a principle of action called a "reduction rule", and has been performed by integration of elements. However, speeding up by this "reduction rule" is beginning to see its limits. To overcome this problem, devices using superconductivity have been devised, but have not been put to practical use. This is considered to be due to the presence of the dielectric material used for the element to partition the current. if,
If the current can be partitioned without using dielectric materials,
It seems that the problem of ultra-high-speed switching operation using a superconducting material is solved. In this application, the applicant proposes a four-terminal switching element that does not use a dielectric barrier. W. B. Shockley, J.M. Barde
en, W.C. H. Since Brattain et al. Discovered the transistor effect in 1948, the semiconductor devices used in computers have created a number of world-changing concepts. The speed of processing the data has been required to be the fastest in keeping with the changing flow of the concept. Also in the field of electronic devices, components have been integrated based on the "reduction rule" in order to follow this "flow". The “reduction rule” refers to a field effect transistor (Field Effect Tran) which is a basic element of an integrated circuit.
The concept is to enable high-speed switching by reducing the product of the resistance value and the capacitance of the entire circuit including the FET (sistor; FET). However, we are beginning to realize that the demands of modern society cannot be overcome by this "reduction rule." Because
Since the switching operation of the FET is performed by controlling the carrier near the gate of the FET with a bias voltage, the switching operation depends on the mobility of the carrier. Recently, Y. Nishi has projected a long-term increase in CPU operating frequency by 2010. According to that, even in 2010, the operating frequency is 1.1
1 be up to x10 9 Hz are prophetic. That is, the information processing capability of the CPU only increases at most several times. This means that an enormous amount of information processing performed by huge software depends on carrier mobility. On the other hand, B. D. Josephs
The superconducting element proposed by on operates at high speed,
2 which is known to be a low power consumption. But Jo
Sephson elements have not been put to practical use in the high-number wavenumber region because noise due to chaotic signal fluctuation becomes dominant at a switching frequency of 7 × 10 8 Hz or more. In addition, it has the properties of reduced transmittance due to the presence of the tunnel barrier, signal delay, and mechanical vulnerability to thermal strain. K. A.
Muller, J .; G. FIG. The oxide superconductor 3 discovered by Bednorz et al. Was expected to be applied to an element operating at a high temperature, but has not yet been put to practical use as a switching element. The fact that the oxide superconductor itself did not come into practical use despite numerous trials was due to the properties of the oxide superconductor itself. This application shows that the use of a metal superconductor superlattice can solve all the problems for practical use.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】酸化物超伝導体がJo
sephson素子として実用化されなかった理由は2
つある。第一に、結晶粒界などの整合性の低い界面が存
在することによって、波動関数の位相が揺らいでしまう
ことがあげられる。第二に、このような整合性の低い界
面では、波動関数の透過率が非常に小さいため、集積化
の際に信号が極度に減衰しまう。酸化物超伝導体の可干
渉距離は、超伝導相転移温度(Tc)を上昇させるため
に極度に短く(〜0.1nm)設計されている4。しか
し、そのためには、可干渉領域を誘電率の高いイオン性
結晶で仕切らなくてはならない。その結果、結晶自身の
誘電率が上昇し、伝導層の層間での波動関数の遅れが避
けられない(図1a)。また、整合性の低い界面では、
この遅れが均一でなくなってしまう(図1b)。こ のような不均一性から素子の動的なインピーダンスが上
昇してしまい5,6、透過率が下がってしまう。すなわ
ち、酸化物超伝導体の問題点も、誘電率の存在に帰結で
きる。The oxide superconductor is made of Jo.
The reason why it was not put into practical use as a sephson element is as follows.
There are two. First, the phase of the wave function fluctuates due to the existence of an interface having low consistency such as a crystal grain boundary. Second, at such poorly matched interfaces, the signal of the wave function is extremely attenuated during integration because the transmittance of the wave function is very small. The coherence length of oxide superconductors is designed to be extremely short (〜0.1 nm) to increase the superconducting phase transition temperature (T c ) 4 . However, for that purpose, the coherent region must be partitioned by an ionic crystal having a high dielectric constant. As a result, the dielectric constant of the crystal itself increases, and a delay in the wave function between the conductive layers is inevitable (FIG. 1a). Also, at interfaces with low consistency,
This delay is not uniform (FIG. 1b). This Not dynamic impedance from uniformity element ends up rising 5,6 such as, transmittance will be lowered. That is, the problem of the oxide superconductor can also be attributed to the existence of the dielectric constant.
【0004】[0004]
【誘電体材料を用いずに可干渉領域を仕切る方法につい
て】超伝導現象の特性は、クーパーペアの波動関数の可
干渉性で描写され、その可干渉性はスピン交換相関によ
って実現される。このことは、スピン交換相関が制御で
きれば電子の流れを操作することができることを意味し
ている。そこで、スピン交換相関を人為的に制御してい
る例として巨大磁気抵抗効果(Giant Magne
to−Resistance,GMR)の発現機構を考
察してみることとする。巨大磁気抵抗効果は、メゾスコ
ピックな構造を有する金属系で発現することが報告され
ているが、外部磁気を印可することによって電気抵抗が
50%も減少するというものである7。巨大磁気抵抗効
果は、スピンまで記述された波動関数が隣り合う層の間
で異なるとき、近藤効果8によって遍歴電子の遷移が制
限されるために起こる。巨大磁気抵抗効果を示す系にお
ける、メゾスコピックな磁気秩序に関する報告9がある
が、それによると、超格子周期の2倍の磁気秩序が存在
することが中性子回折によって確認されている。ここで
強調しておきたいことは、メゾスコピックなスケールで
の磁区構造が、超格子の周期を制御することによって発
現することである。このことは、スピン交換相関という
立場で、強く相関する超伝導層の積層周期を変化させる
ことによって、誘電体を配置することなく、遍歴電子の
遷移を制御していることを意味している。この示唆によ
って、誘電体を用いずにスイッチ動作する超格子を作成
できるのである。[About the method of partitioning the coherent region without using a dielectric material] The characteristics of the superconductivity phenomenon are described by the coherence of the wave function of the Cooper pair, and the coherence is realized by spin exchange correlation. This means that if the spin exchange correlation can be controlled, the electron flow can be manipulated. Therefore, as an example of artificially controlling the spin exchange correlation, a giant magnetoresistance effect (Giant Magnene) is used.
To-Resistence (GMR) expression mechanism will be considered. It has been reported that the giant magnetoresistance effect appears in a metal system having a mesoscopic structure, but the application of external magnetism reduces the electrical resistance by as much as 50% 7 . The giant magnetoresistance effect occurs because the transition of itinerant electrons is restricted by the Kondo effect 8 when the wave function described up to spin differs between adjacent layers. In a system showing a giant magnetoresistance effect, although there are reports 9 regarding mesoscopic magnetic order, according to which the double magnetic order of the superlattice period is present it is confirmed by neutron diffraction. What should be emphasized here is that the domain structure on a mesoscopic scale appears by controlling the period of the superlattice. This means that, from the standpoint of spin exchange correlation, the transition of itinerant electrons is controlled without disposing a dielectric by changing the lamination period of the superconducting layer that is strongly correlated. With this suggestion, it is possible to create a superlattice that operates as a switch without using a dielectric.
【金属超伝導超格子を用いたスイッチング素子の可能
性】超伝導金属−常伝導金属−超伝導金属(Super
conducting metal−Normal m
etal−Superconductingmeta
l;S−N−S)超格子においては、次元クロスオーバ
ー現象が観察されている。I.K.Schullerら
のグループが、Nb/Cu系の超格子における次元クロ
スオーバー現象の調査に関して先駆的な役割を演じてい
る10。その報告によると、Nb/Cu超格子の可干渉
距離が、メゾスコピックな系でのみ異方性を有し、超格
子周期を最適化することによって、超伝導層間での相関
が極大化する。申請者は、かねてより、この層間の相関
を利用して、スピンまで記述した 波動関数を仕切ることを提案してきた。最近、申請者ら
は、メゾスコピックな超格子周期を有するNb/Cu超
格子において、超伝導層ごとの反強磁性的磁気秩序が存
在することを報告した11。Nb、Cu、各層の層厚を
16.8nm、14.7nmに固定したNb/Cu系の
超伝導超格子の電気抵抗を測定したところ、抵抗異常が
再現性よく観察された。この抵抗異常が、層間の相関が
極大になったときのみに出現することを考えると、メゾ
スコピックなスケールで、電子バンドの反強磁性的秩序
が実現されていること、また、抵抗異常が近藤効果によ
る遍歴電子の挙動によることを導いた(図2)。もし、
超伝導の系において反強磁性的磁気秩序が形成されてい
るとすると、超伝導現象とGMRのアナロジーが結論付
けられる。前述したとおり、GMRを示す系において
は、電子の流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることがで
きる。それゆえ、S−N−S接合においてもクーパーペ
アの流れを誘電体障壁を用いずに仕切ることができると
考えられる。[Possibility of switching element using metal superconducting superlattice] Superconducting metal-normal metal-superconducting metal (Super
conducting metal-Normal m
etal-Superconductingmeta
l; SNS) In the superlattice, a dimensional crossover phenomenon has been observed. I. K. Group of Schuller et al., Plays a pioneering role in the investigation of dimensional crossover phenomenon in the super lattice of Nb / Cu system 10. According to the report, the coherence length of the Nb / Cu superlattice has anisotropy only in a mesoscopic system, and the correlation between the superconducting layers is maximized by optimizing the superlattice period. The applicant has long described spins using the correlation between layers. It has been proposed to partition the wave function. Recently, the applicants reported that an Nb / Cu superlattice with a mesoscopic superlattice period has antiferromagnetic magnetic order per superconducting layer 11 . When the electrical resistance of the Nb / Cu-based superconducting superlattice having Nb, Cu, and the layer thickness of each layer fixed at 16.8 nm and 14.7 nm was measured, abnormal resistance was observed with good reproducibility. Considering that this resistance anomaly appears only when the correlation between the layers becomes maximal, the antiferromagnetic order of the electronic band is realized on a mesoscopic scale. (Fig. 2). if,
Assuming that antiferromagnetic magnetic order is formed in a superconducting system, the analogy between the superconductivity phenomenon and GMR can be concluded. As described above, in a system exhibiting GMR, the flow of electrons can be partitioned without using a dielectric barrier. Therefore, it is considered that even in the SNS junction, the flow of the Cooper pair can be partitioned without using the dielectric barrier.
【0005】[0005]
【発明の実施の形態】図3に4端子スイッチング素子の
概要を図解したものを示す。層間での電子の遷移は、ス
ピンの記述まで含めた波動関数が一致したときのみ支配
的となり、となりの層への遷移は、反強磁性的なスピン
配列のために制限されることになる(図3a)。この哲
学に基づき、ソース層、ゲート層、ドレイン層を有した
4端子素子が、申請者のひとり(K.Tsukui)に
よって提案されてきた(図3b)。スイッチング動作の
動作原理は、Broch共鳴の変調12,13と、Br
och共鳴における電子輸送の非線形性による。図4に
描写したとおり、超伝導層における異なったスピンを有
する占有軌道は、半導体超格子と同様に、常伝導層によ
って仕切られている。超格子内部のCooper Pa
irは、共鳴状態にあり、その共鳴状態は、ゲートの操
作や外部から導入されるシングルイベントによって変調
を受ける。Broch共鳴が変調される結果、ソース−
ドレイン間の電圧は、超格子の非線形輸送によって多値
化される14。その現象は、半導体超格子と同一のもの
であるが、超格子におけるトンネル障壁の取り扱いが異
なる。S−N−S超格子の場合、遍歴電子は、常磁性金
属中を伝播する。しかし、ある超伝導層から、となりの
超伝導層への低温での遷移は、近藤効果によって、制限
される。遍歴電子による電気抵抗の値(ρ↑)は、次の
式によって決定される8。 電気抵抗の値は、温度と常伝導金属のフェルミ準位にお
ける電子密度(NPara(εF))の関数となる。そ
の結果、100K以下での遍歴電子の遷移確率は、著し
く低下し、挿入されている常磁性金属は、絶縁体障壁と
同様の働きをする。この働きは、半導体超格子のバンド
ギャップとも同様である。この「トンネル障壁効果」
は、スピン交換相関の強い層の電子と、その間に挿入さ
れた常磁性金属中の電子の角運動量量子数が異なる場合
に起こる現象として、認知されている15。結論とし
て、この4端子素子は、Broch共鳴によって、超伝
導電流を維持したまま動作するため、動作周波数の上限
は、これまでのRC−typeのJosephson素
子の動作周波数がギャップエネルギーによって決定され
るのとは異なる。さらに、素子の単位胞を、超格子のよ
うに、ソース層(S)/ゲート層(G)/ドレイン層
(D)/G/S/G/D/G…、という順序で積層させ
るため、ソース層からドレイン層への相関は、等比級数
的に1に近づく。誘電体障壁を有するJosephso
n接合では、カオス的な雑音、波動関数のゆらぎ、透過
率の低さ、機械的な脆さなどに悩まされていたが、提案
した素子は、金属しか用いておらず、超伝導素子の実用
化に向けてのすべての問題を解決したことになる。ま
た、この素子は、超伝導状態を壊すことによって動作す
る素子のようなエネルギー損失もないまま、超高周波数
での動作が可能である。動作周波数の上限は、金属のプ
ラズモン損失(Cuの場合103eVのオーダー)を考
慮すると、1018Hzに及ぶことが期待される。仮
に、そのような高周波での動作が可能であるならば、電
気的な信号を高エネルギーのフォトンに変換すること、
また、その逆の変換、高エネルギー粒子の検出が可能に
なると考えられる。FIG. 3 shows an outline of a four-terminal switching element. The electron transition between layers becomes dominant only when the wave functions including the spin description coincide, and the transition to the next layer is restricted by the antiferromagnetic spin arrangement ( Figure 3a). Based on this philosophy, a four-terminal device having a source layer, a gate layer, and a drain layer has been proposed by one of the applicants (K. Tsukui) (FIG. 3b). The operating principle of the switching operation is to modulate the Broch resonances 12 , 13 and Br
Due to the nonlinearity of electron transport at och resonance. As depicted in FIG. 4, the occupied orbitals having different spins in the superconducting layer are separated by a normal conducting layer, similar to a semiconductor superlattice. Cooper Pa inside the superlattice
ir is in a resonance state, and the resonance state is modulated by a gate operation or a single event introduced from the outside. The modulation of the Broch resonance results in the source-
The voltage across the drain is multi-valued by the nonlinear transport of the superlattice 14 . The phenomenon is the same as the semiconductor superlattice, but the handling of the tunnel barrier in the superlattice is different. In the case of the SNS superlattice, itinerant electrons propagate through the paramagnetic metal. However, the transition at low temperature from one superconducting layer to the next superconducting layer is limited by the Kondo effect. The value of the electrical resistance due to itinerant electrons (ρ ↑ ) is determined by the following equation 8 . The value of the electrical resistance is a function of the temperature and the electron density (N Para (ε F )) at the Fermi level of the normal metal. As a result, the transition probability of itinerant electrons below 100K is significantly reduced, and the inserted paramagnetic metal acts like an insulator barrier. This function is similar to the band gap of the semiconductor superlattice. This "tunnel barrier effect"
15, and electrons in a strong layer of spin exchange-correlation, as a phenomenon which occurs when between the angular momentum quantum number of electron paramagnetic in metal inserted in different, which has been recognized. In conclusion, since the four-terminal device operates while maintaining the superconducting current due to the Broch resonance, the upper limit of the operating frequency is determined by the gap frequency that determines the operating frequency of the conventional RC-type Josephson device. And different. Further, since the unit cells of the element are stacked in the order of source layer (S) / gate layer (G) / drain layer (D) / G / S / G / D / G. The correlation from the source layer to the drain layer approaches 1 in geometric progression. Josephso with dielectric barrier
The n-junction suffered from chaotic noise, fluctuations in the wave function, low transmittance, and mechanical brittleness. This means that all problems for the transition have been resolved. In addition, this element can operate at an extremely high frequency without energy loss like an element that operates by breaking a superconducting state. The upper limit of the operating frequency is expected to reach 10 18 Hz, considering the plasmon loss of metals (on the order of 10 3 eV for Cu). If operation at such high frequencies is possible, converting electrical signals into high-energy photons;
It is also considered that the reverse conversion and the detection of high energy particles are possible.
【0006】[0006]
【実施例】現在までに、スピン交換相関作用を利用し
て、スイッチング素子を作成した例はない。しかし、前
述したとおり、超伝導体を利用して、寄生容量の存在し
ない高速動作可能なスイッチング素子を作製することは
可能であると考えられる。本装置の作成方法を以下に示
す。 (1)メカニカルアロイング法による層状構造作製法。 (2)機械的な変形を原理とした加工法による層状構造
作製法(鍛造法、圧延法などを含む)。 (3)凝固組織の制御による層状構造作製法(急冷凝固
法を含む)。 (4)薄膜作成法(気相、液相、および、固相中におけ
る物理的作成法、化学的作 成法を含む)による層状構造作製法。 (5)化学的手法を用いた層状構造作製法。 (6)電気化学的手法を用いた層状構造作製法。 (7)生物化学的手法を用いた層状構造作製法。 (8)自然界に存在する構造の周期性を利用した層状構
造作製法。 (9)自然界に存在する駆動力を利用して、層状構造を
作製する方法。 (10)物理的手法(粒子加速器など)を用いて、層状
構造を作製する方法。 なお、これらを複数にわたって組み合わせた方法を含
む。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS To date, there has been no example in which a switching element has been produced using the spin exchange correlation action. However, as described above, it is considered possible to manufacture a switching element capable of operating at high speed without a parasitic capacitance by using a superconductor. The method of making this device is described below. (1) A method for producing a layered structure by a mechanical alloying method. (2) A method of producing a layered structure by a processing method based on mechanical deformation (including a forging method, a rolling method, and the like). (3) Layered structure production method by controlling solidification structure (including rapid solidification method). (4) Thin film preparation method (physical preparation method, chemical preparation in gas phase, liquid phase and solid phase) Layered structure manufacturing method (including a synthetic method). (5) A method for producing a layered structure using a chemical technique. (6) A method of forming a layered structure using an electrochemical method. (7) A method for producing a layered structure using a biochemical technique. (8) A method for producing a layered structure utilizing the periodicity of a structure existing in the natural world. (9) A method for producing a layered structure using a driving force existing in the natural world. (10) A method for producing a layered structure using a physical method (such as a particle accelerator). It should be noted that a method combining a plurality of these is included.
【0007】[0007]
【発明の効果】結論として、この素子は、超伝導状態を
壊すことによって動作する素子のようなエネルギー損失
もないまま、超高周波数でのスイッチング動作が可能で
ある。動作周波数の上限は、金属のプラズモン損失(C
uの場合103eVのオーダー)を考慮すると、10
18Hzに及ぶことが期待される。仮に、そのような高
周波での動作が可能であるならば、電気的な信号を高エ
ネルギーのフォトンに変換すること、また、その逆の変
換、高エネルギー粒子の検出が可能になると考えられ
る。In conclusion, this device can perform a switching operation at a very high frequency without energy loss like a device that operates by breaking a superconducting state. The upper limit of the operating frequency is the plasmon loss (C
Considering 10 3 eV for u), 10
Expected to reach 18 Hz. If it is possible to operate at such a high frequency, it would be possible to convert an electrical signal into high-energy photons, vice versa, and detect high-energy particles.
【0008】[0008]
【謝辞】申請者は、京都大学の新宮秀夫教授と石原慶一
助教授に深く感謝の意を表します。GMRと超伝導現象
が酷似しているという観点は、先生方との議論の中で成
熟しました。薄膜作成に関するご指導を頂きました金属
材料技術研究所の矢田雅則博士に心より感謝いたしま
す。また、申請者は、金属材料技術研究所、工業技術院
電子技術総合研究所、工業技術院機械技術研究所、早稲
田大学、京都大学にいらっしゃる先生方との実り多い議
論に深く感謝の意を表します。特許化に関しまして、多
くのご助言をいただきました、大塚国際特許事務所の大
塚康徳先生に深く感謝いたします。また、最後に、申請
者のひとり(K.Tsukui)は、桜ヶ丘記念病院の
古茶大樹先生の研究生活全般に関する親身なご指導に深
く感謝いたします。[Acknowledgment] The applicant expresses his deep appreciation to Professors Hideo Shingu and Keiichi Ishihara of Kyoto University. The point that GMR and superconductivity are very similar has matured in discussions with the teachers. Special thanks to Dr. Masanori Yada of National Institute for Metals Technology for guidance on thin film preparation. The applicant also expresses his deep appreciation for the fruitful discussions with the Professors at the National Institute of Metals and Materials, the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, the Institute of Mechanical Engineering, the Institute of Industrial Science and Technology, Waseda University, and Kyoto University. You. We would like to thank Professor Yasunori Otsuka of Otsuka International Patent Office for much advice on patenting. Finally, one of the applicants (K. Tsukui) would like to thank Dr. Taiki Kocha of Sakuragaoka Memorial Hospital for his kind guidance on his overall research life.
【図1】酸化物超伝導体の内部における電子分極が伝導
シート間の波動関数の伝播に及ぼす影響(a)。酸化物
超伝導体を用いたJosephson素子の場合、10
4Hz以上のスイッチング周波数において、熱雑音が支
配的となる6。K.K.Likharevの報告5によ
ると、そのような熱雑音は、高周波領域での動的なイン
ピーダンスが上昇するためであるとされている。つま
り、ペロブスカイト構造の結晶には、大きな電子分極が
存在することになる。波動関数は、それらの電子分極の
存在によって、伝播の際に遅れを生じてしまう。図1b
には、整合性の低い界面の近傍で、波動関数の遅れにゆ
らぎが生じることを説明した図を示す。波動関数の遅れ
によって、界面近傍の秩序パラメータは小さくなり、必
然的に波動関数は弱結合となる。FIG. 1 shows the effect of electron polarization inside an oxide superconductor on propagation of a wave function between conductive sheets (a). In the case of a Josephson device using an oxide superconductor, 10
4 in Hz or more switching frequencies, thermal noise becomes dominant 6. K. K. According to Likharev's report 5 , such thermal noise is due to an increase in dynamic impedance in a high-frequency region. That is, a crystal having a perovskite structure has large electron polarization. Wave functions are delayed during propagation due to the presence of their electronic polarization. FIG.
FIG. 2 shows a diagram illustrating that the delay of the wave function fluctuates near the interface having low matching. Due to the delay of the wave function, the order parameter near the interface becomes smaller, and the wave function necessarily becomes weakly coupled.
【図2】抵抗測定の実験11の結論として得られた、メ
ゾスコピックな構造を有する超伝導体における、層ごと
の反強磁性的スピン秩序。各々の層における電子状態
は、非経験的分子軌道法であるDV−Xα法16によっ
て計算された。同時に提案された「Cooperペアの
熱的安定機構」11によってスピンのゆらぎは、ノーマ
ルな電子状態と独立して考えることができる。そのた
め、メゾスコピックなスピン秩序をノーマルな電子状態
をもとに描写することが可能となる。となりの層のスピ
ン方向は、交換相関パラメーターの関数によって表され
る全エネルギーを下げるために反対になる。もし、この
ような反強磁性的磁気秩序が超伝導体に存在するとする
と、電子の流れは、誘電体を用いなくとも仕切ることが
できる。FIG. 2 shows the antiferromagnetic spin order per layer in a superconductor having a mesoscopic structure obtained as a result of the resistance measurement experiment 11 . The electronic state in each layer was calculated by the DV-Xα method 16 , which is an ab initio molecular orbital method. The "thermal stability mechanism of the Cooper pair" 11 proposed at the same time allows spin fluctuations to be considered independently of the normal electronic state. Therefore, it becomes possible to describe the mesoscopic spin order based on the normal electronic state. The spin direction of the next layer is reversed to reduce the total energy represented by the function of the exchange correlation parameter. If such an antiferromagnetic magnetic order exists in a superconductor, the flow of electrons can be separated without using a dielectric.
【図3】4端子スイッチング素子の概略図と、その動作
原理。スピンまで含めた波動関数が一致する層の間での
遷移は優先的になる(a)。近藤効果8の結果、となり
の層への遷移は制限される。4端子素子の単位胞は、ソ
ース層、ゲート層、ドレイン層からなる(b)。スイッ
チのOFF動作は、素子内に存在するBroch共鳴
が、ゲート層の電子状態か、外部環境からのシングルイ
ベントによって変調されることによって行われる。ま
た、超伝導現象とGMRがアナロジーであることを考慮
すると、電子の流れは誘電体を用いなくとも仕切ること
ができる。すなわち、スピン交換相関作用の強い層を積
層すれば、この素子を作成することが可能であることが
わかる。FIG. 3 is a schematic diagram of a four-terminal switching element and its operation principle. Transitions between layers having the same wave function including spin are prioritized (a). As a result of the Kondo effect 8 , the transition to the next layer is restricted. The unit cell of the four-terminal element includes a source layer, a gate layer, and a drain layer (b). The OFF operation of the switch is performed by modulating the Broch resonance existing in the element by the electronic state of the gate layer or a single event from the external environment. Considering that the superconductivity phenomenon and the GMR are analogous, the flow of electrons can be separated without using a dielectric. That is, it can be seen that this layer can be manufactured by stacking layers having a strong spin exchange correlation action.
【図4】提案された4端子素子の単位胞内部でのエネル
ギーバンドの概略図。前述しているとおり、スピンのゆ
らぎは、「Cooperペアの熱的安定機構」11によ
って、ノーマルな電子状態と独立して考えることができ
る。そのため、メゾスコピッ クなスピン秩序をノーマルな電子状態をもとに描写する
ことが可能となる。超伝導層内部の電子状態は、メゾス
コピックなスケールで反強磁性的に配列し、常伝導金属
によって仕切られている。近藤効果、または、「トンネ
ル障壁効果」の結果として、半導体超格子と同様のBr
och共鳴状態が確立されている。FIG. 4 is a schematic diagram of an energy band inside a unit cell of a proposed four-terminal device. As described above, the spin fluctuation can be considered independently of the normal electronic state by the “thermal stability mechanism of the Cooper pair” 11 . Because of that, Spin order can be described based on the normal electronic state. The electronic states inside the superconducting layer are arranged antiferromagnetically on a mesoscopic scale and are separated by a normal metal. As a result of the Kondo effect or "tunnel barrier effect", Br
An och resonance has been established.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M113 AA04 AA14 AA29 AB01 AB11 AB15 CA13 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4M113 AA04 AA14 AA29 AB01 AB11 AB15 CA13
Claims (1)
(B層)を交互に積層させたスイッチ素子。 (2)A層のみに端子を設けたスイッチ素子。 (3)B層の常磁性常伝導体の代わりに、超伝導体を用
いたスイッチ素子。 (4)A層を、図3に示すとおり、順番にソース層、ゲ
ート層、ドレイン層と名付け、ソース層とドレイン層の
間のBroch共鳴をゲート層に印加する、電流、また
は、電圧によって変調し、スイッチ動作を行う素子。 (5)項目4の装置を複数回、積層させた素子。 (6)A層とB層の間に別の金属を挿入した素子。(1) A switch element in which superconductors (layer A) and paramagnetic normal conductors (layer B) are alternately laminated. (2) A switch element having terminals provided only in the A layer. (3) A switch element using a superconductor instead of the paramagnetic normal conductor of the B layer. (4) As shown in FIG. 3, the A layer is named a source layer, a gate layer, and a drain layer in order, and applies a Broch resonance between the source layer and the drain layer to the gate layer. Element that performs a switching operation. (5) An element obtained by stacking the device of item 4 a plurality of times. (6) An element in which another metal is inserted between the A layer and the B layer.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2001121765A JP2002280627A (en) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | Superconductive switching element |
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