JPH01258297A - 磁束量子素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ジョセフソン接合中の磁束量子（ジ田セフソ
ンボルテツクスと呼ばれる）の伝搬を他の磁束量子によ
り制御する磁束量子素子に関するものである。

〔従来の技術〕

磁束量子を情報担体として用いる論理回路においては、
伝搬されてきた磁束量子を蓄積し、タイＺング信号が入
力されたときに磁束量子列として伝搬させることを可能
とした素子が必要とされているが、従来、ジョセフソン
線路の一方の端から磁束量子を発生させる回路が存在し
たのみで上記の要求を満足するような回路は存在しなか
った。

〔発明が解決しようとする課題〕

磁束量子の数を情報担体として用いるような論理（単位
時間内に伝搬する磁束量子の数が多いほど信号強度が強
いことを示す。）を行なわせるためには、ある強度の入
力信号が入って来たときにその強度に見合った出力（磁
束量子の数）を次段に伝搬させる必要がある。そのため
には、磁束量子の数を制御できる磁束量子列発生回路が
必要となる。

したがってこの発明は、前述した従来の問題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、磁束量子列を発生させ
るときに磁束量子列を構成する磁束量子の数を制御し、
制御電流（クロック信号）を入力するタイミングで磁束
量子列の伝搬を可能とした磁束１子素子を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明による磁束量子素子は、超伝導体からなる上部
電極と下部電極との間にトンネルバリアを挾んだ構成を
有するジョセフソン線路の任意の箇所の上部電極と下部
電極との間をジョセフソン接合を介した超伝導体で接続
することにより超伝導ループを構成する。

〔作　用〕

この発明においては、ジョセフソン接合を含む超伝導ル
ープでは、ループのインダクタンスの値りとループ中に
含まれるジョセフソン接合の臨界電流値Ｉ、との積が１
０　（単位磁束量子）以上となると、磁束量子が超伝導
ループ中に取ｐ込まれ、安定に保持されゐようになる。

し九がってこの超伝導ループを磁束量子停止部として使
用できる。

そして、このようか超伝導ループが付加されたジョセフ
ソン線路におい′〔は、超伝導ループ部分に磁束量子が
保持している時には停止部と磁束量子の入力端との間に
入力端から伝搬してきた磁束量子が停止される。一方、
磁束量子停止部を構成する接合を制御信号によシ常伝導
状態に転移させるととＫよ）、停止部の磁束量子は放出
され、線路中に停止していた磁束量子を一度に伝搬させ
、磁束量子列を形成させることができる。

〔実施例〕

以下、図面を用いてこの発明の実施例を詳細に説明する
。

（実施例１） この実施例に係わる磁束１子素子は、第１のジョセフソ
ン線路を用いて構成される。

まず、ここでは第１のジョセフソン線路が超伝導体から
々る上部電極と下部電極との間にトンネルバリアが挾ま
れ７ｃ積層構造を基体として構成され、このような積層
構造が磁束量子の伝搬方向にジョセフソン侵入距離λＪ
の５倍相度以上の長さに形成されている分布定数型ジョ
セフソン線路の場合について説明する。

第１図（ａ）〜（ｄ）を用いて第１の実施例を説明する
。

同図（ａ）において、一端を入力Ｄｅｌロムとし、他端
を出力端１ｈとすゐ第１のジョセフソン線路１は、超伝
導体からなる上部電極２と同様に超伝導体からなる下部
電極３との間にトンネルバリア４が挾まれた８１層構造
を有し、さらにこのｖＫｌのジョセフソン線路１の任意
の箇所の上部電極２と下部電極３との間を超伝導体で構
成され為インダクタンス６とジョセフソン接合６とを直
列に接続することＫよって連結した構造を有し、このジ
ョセフソン接合６には制御電流■を流す制御ｔＬｍ４１
１７が磁気的に結合されている。

次に同図伽）に示す同図（ａ）の等価回路を用いてその
動作を説明すｂ０同図も）に示すようにジョセフソン接
合１は、ジＭ−４！フソン接合６がインダクタンス５に
より一方向に梯子状に連結された等価回路で表現される
。ここで、この構造の動作を超伝導ループのＬ！積（Ｌ
：超伝導ループ中に含まれるインダクタンスの値（イン
ダクタンス５の値）、ｌ、：超伝導ループ中に含まれる
ジョセフソン接合６の臨界電流値）が４（単一磁束量子
の磁束ｌより大きい場合と小さい場合とに分けて説明す
る。

（１）　　Ｌｌｊ＞＋のとき：　この場合には、超伝導
ループが付加され九部分に一方の線路が極端に短いＴ分
岐が構成されたものと等価となる。まず、磁束量子の差
動を説明するために前記Ｔ分岐の動作について最初に説
明する。このＴ分岐とは、第２図に示すようにジョセフ
ソン線路１がトンネルバリア４に対して水平方向に分裂
した構造を称し、磁束量子８は分岐部分では上部電極２
お工び下部電極３の超伝導体に挾まれていて抜は出すこ
とができないために２つの線路ＩＡ、ＩＢ　を貫くよう
に伝搬する。

次に本構造の動作について説明する。第１のジ叢セフソ
ンＩｉＩ回路１の入力端１ａから侵入した磁束量子８は
、第１のジョセフソン線路１中を伝搬し、超伝導ループ
が付加されている部分に到達すると、Ｔ分岐部における
動作で説明したようにトンネルバリア部分および超伝導
ループ部分を貫くように磁束量子８は伝搬し、最終的に
は、磁束量子８の一方の端は第１のジョセフソン線路１
の終端に伝搬し、他方の端は第１のジョセフソン線路１
．上部電極２と下部電極３とを連結するインダクタンス
５およびジョセフソン接合Ｂにより構成されゐ超伝導ル
ープ中に保持される。このとき、超伝導ループ中には保
持されている磁束量子８に伴危う周回１に流Ｉｄｒが流
れる。

一方、磁束量子８が第１のジョセフソン線路１中を伝搬
しているときには次式が満足されている必要がある。

１ｃｌｒ　十１ｂ＞　１３　　　　　　　　・・・・（
１）ただし Ｉｃ１ｒ：磁束量子に伴なう周回電流 ｌｂ　：線路中の磁束量子が存在する部分の接合に供給
されているバイアス電流 ！」：ジョセフソン線路中の磁束量子が存在する部分の
接合の臨界電流値 ここで、第１図６）に示すように超伝導ループ中に磁束
量子８が保持されている状態においては、保持されてい
る磁束量子８に伴なう周回電流１ｃｉｒがバイアス電流
Ｉｂを打ち消す方向に流れるため、前記（１）式の条件
を満足することができず、磁束量子８は超伝導ループが
形成されている前の部分のループに停止する。以降、入
力端１ａかも侵入してくる磁束量子８も順次第１図（ｂ
）に示すように第１のジョセフソン線路１中に停止する
。また、このとき、第１のジョセフソン線路１中に保持
され得る磁束量子８の数量の最大値は、超伝導ループが
構成されている部分から第１のジョセフソン線路１０入
力端１ａｔでの間に形成されている超伝導ループのＬｌ
積の和めｔ４０の何倍であゐかに１９決定される。

（２）Ｌｌ、＜４Ｑ　かつ１１’　＞　１ｃｉｒ　”　
１ｍ　（Ｉｂ’；バイアス電流の超伝導ループへの分流
分）のとき：この状態においては、同図（Ｃ）に示すよ
うに第１のジョセフソン線路１の入力端１ａから伝搬し
た磁束量子８は、超伝導ループ中に含まれるジョセフソ
ン接合Ｂをポルテックス転移させて通シ抜けることもで
きず、超伝導ループ中に入夛きることもできず、同図（
ｃ）に示すような状態で停止する。

この磁束量子は超伝導ループを構成するジョセフソン接
合６が電圧転移しない内は動きがとれないので、後から
伝搬してくる磁束量子８は順次第１のジョセフソン線路
１中に停止保持されることＫなる。

以上説明した超伝導ループによる磁束量子８の停止に関
して数値解析プログラムによるシミニレ−ジョンにより
、その動作をｍ認した結果を第３図に示す。同図は、線
路のＬｌ積と超伝導ループを構成する超伝導ループのＬ
ｌ積をパラメータとし、磁束謔゛子の挙動を調べたもの
である。他のパラメータは磁束量子の高速伝搬性を生か
すことができ、しかも安定伝搬可能であるという条件を
考慮にいれて以下のように設定した。線路のダンピング
条件βＣ＝３５００．バイアス電流１ｂ／Ｉｃ−０，５
（ｒｂ　：線路に供給されゐバイアス電流の総量、　ｆ
ｃ　：　４回路の臨界電流値）で均一に供給した。

その結果、同図に示すようが領域Ａで超伝導ループの手
前であるいは領域Ｂで遠伝導ループ中に保持された後に
第１のジョセフソン線路１中を伝搬してきた磁束量子８
が停止することが確認された。

以上のような磁束量子８が保持された状態でジョセフソ
ン接合６に制御電流ｌを供給し、電流の合計が接合の臨
界電流１ｃを越える値にすると、超伝導ループはジョセ
フソン接合６部分で破壊され、超伝導ループ中に保持さ
れていた磁束量子８は放出される。これに伴い、超伝導
ループ中に磁束量子Ｂが保持されていたために伝搬する
仁とがでｔｋｆ、Ｍｌのジョセフソン線路１中に停止し
ていた磁束量子８が連続的に線路の出力端ｉｂＫ伝搬す
る。この状態は、電圧転移したジョセフソン接合６がゼ
ロ電圧状！ｇＡＫ戻り、再び超伝導ループ中に磁束量子
８が保持されるまで持続する。

従って、ジョセフソン接合６が電圧状態にある時間を制
御電流ｌの入力波形により制御したりあるいはジョセフ
ソン接合６は十分長い間電圧状態にして置き、第１のジ
ョセフソン線路１中に停止していた磁束量子８がすべて
線路の出力端ｉｂ　ｔで伝搬するようにすることによシ
、磁束量子列を構成する磁束量子８０個数を制御可能で
、制御信号の入力をトリガーとした磁束量子列発生回路
が実現できる。例えは、第１図（ｄ）に示すよう表さま
ざまなパターンで単位時間内に磁束１子発生器の入力端
に伝搬してきた場合にも、磁束量子の数が等しければ図
の出カバターンのようにトリガー信号のタイミングで連
続的に磁束量子が伝搬する同一の出力を得ることができ
る。したがって本機能は入力信号の時間的加算を取るこ
とができ、単位時間内に伝搬してくる磁束量子の数を情
報担体とした論理を構成する上においては必要不可久々
ものである。

第１図（ｄ）は前述した磁束量子素子におけゐ各信号の
タイムチャートを示したものである。同図から明らかな
ようにこの磁束量子素子においては、制御信号と制御信
号との間に入力から伝搬してくる磁束量子の時間的加算
をと９、磁束量子列を構成する磁束量子の数という情報
に変換して次段に出力を送シ出すことができる。この機
能は磁束１子の数を情報相体とした論理回路を構成する
土で不可欠である。

（実施例２〕 第４図は、この発明による磁束量子素子の他の実施例を
示す図であシ、前述の図と同一部分には同一符号を付し
である。同図においては、ジョセフソン接合６には、制
御線７が上部電極２に接続されかつ制御電流Ｉを注入す
ることにより、接合を電圧転移できる構成となっている
。前述した実施例１においては、制御線７とジョセフソ
ン接合６を含む超伝導ループとを磁気的に結合させ、制
御電流ｌに伴なって発生する肋導電流にょシ、ジョセフ
ソン接合６を電圧転移させるのに対して本構成において
は、制御電流Ｉを直接ジョセフソン結合６に供給するこ
とにより、電圧転移を発生させている。このような構成
によれば、磁気的結合を用いていないので、素子寸法を
小さくすることができる。その他の動作原理および機能
は前述し九集施例１と同じである。

（実施例３） 第５図はこの発明による磁束量子素子のさらに他の実施
例を示す図であり、前述の図と同一部分には同一符号を
付しである。同図においては、前述した実施例１のよう
にインダクタンス５と１つのジョセフソン接合６と、に
よル超伝導ループを構成する代ルに複数個のジョセフソ
ン接合６ａ〜６ｇを直列接続することによシ、起伝導ル
ープを構成するものである。このような構成によれば、
大きな値のインダクタンス５をコンパクトにｍ１ｌｉス
ゐことができ、素子寸法を小さくすることができる。

この場合も動作原理および機能は前述した実施例１と同
じである。

以上の各実施例における第１のジョセフソン線路１には
、前述した分布定数形ジョセフソン線路と同様に集中定
数形ジョセフソン線路も適用することができる。ここで
、集中定数形ジョセフソン線路とは第６図に示すように
分布定数形ジョセフソン線路と同様の′８４層構造を第
１の積層構造部８ａとしたとき、この第１の積層構造部
９ａ　の他に超伝導体からなる上部電極２と下部電極３
との間にトンネル電流が流れ得ないような膜厚の絶縁層
１゜が挾まれた第２の積層構造部９ｂ　’４４１ておシ
、このような第１の積層構造部９ａ　と第２の積層構造
部９ｂ　　とが又互に連結され、第１の積層構造部９ａ
の長さをジョセフソン侵入距離λＪ　よりも小さく形成
したものである。つ゛まりジョセフソン接合６の上部電
極２同士、下部電極３同士を超伝導体（インダクタンス
５）で接続することにより線路を構成したものである。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、次に示すような
極めて優れた効果が得られる。

（１）従来！！！現できなかった制御信号をトリガーと
して磁束量子列が形成される磁束量子列発生回路を実現
することができる。

（：２）時間的加算をとれ、また、入力端に抵抗を介し
て複数個の線路を接続することによル、空間的加算もと
ることができる機能を持っている。したかって、本素子
は神経回路網を構成す石上で不可欠なシナプスに対応す
る素子として使用することができる。

（３）出力端には、伝搬してくる磁束量子の伝搬類ＩＷ
に比例したフロー電圧が発生する。したがって、この作
用を利用すれば磁束量子の数を情報相体とした回路と電
圧レベルを情報用体とした回路のインターフェースとし
て使用することかでｎ、ｂ。

（４）制御信号と制御信号との間の加算平均がとれるの
で、確率的に起こる事象が伺回発生したかを検出する計
数回路として使用することができる。

（５）入力からの信号を蓄積して制御信号のタイミング
で伝搬させることができるので、タイミング合わせ回路
としても使用できる。磁束量子を情報相体とした回路に
おいては、伝搬している磁束量子の相互作用を利用して
論理を行なわせるのて、。

タイミングを合わせる回路は極めて重要である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による磁束量子素子の一実施例を説明
する図であシ、同図（ａ）は構成を説明する図、同図Φ
）は動作１を説明する図、同図（ｃ）は動作２を説明す
る図、同図（ｄ）は機能を説明する図、第２因は第１の
ジョセフソン線路のＴ分岐を説明する図、第３図は超伝
導ループによる磁束量子の停止のシミュレーション結果
を示す図、第４図はこの発明による磁束量子素子の他の
実施例を説ＩＪＬＩする図、第５図はこの発明による磁
束量子素子のさらに他の実施例を説明する図、第６図は
集中定数型ジョセフソン線路を説明する図である。 １・命・・第１のジョセフソン線路、１ａ　・・・−人
力鼎Ｊ、１ｂ　　・・・・出力端、ＩＡ、ＩＢ　　・・
・・線路、２・・・・上部電極、３・・・・下部電極、
４・・φ・トンネルバリア、５・ｍｓ・インダクタンス
、６・・−φジョセフソン接合、７・・・・制御線、８
・・・・磁束量子、９ａ・・・・第１の積層構造部、９
ｂ　・・・・第２の積層構造り、１０・φ争φ絶縁層。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超伝導体からなる上部電極と超伝導体からなる下
   部電極との間にトンネルバリアが挾まれたジョセフソン
   接合で一方向のみ長い構造をなし、一方の端を入力端と
   し他方の端を出力端としたジョセフソン線路を有する磁
   束量子素子において、このジョセフソン線路の任意の箇
   所で上部電極と下部電極との間をジョセフソン接合を介
   した超伝導体により接続するとともにこのジョセフソン
   接合に制御線を磁気的に結合したことを特徴とする磁束
   量子素子。
2. （２）請求項１において、このジョセフソン線路をジョ
   セフソン接合の上部電極同士および下部電極同士を超伝
   導体で接続したことを特徴とする磁気量子素子。