JPS5917982B2 - ジヨセフソン・ソリトン誘導デバイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超伝導ソリトン・デバイス、より具体的には印
加された制御信号に応答して選択された１０経路に沿つ
てソリトンを誘導するための改良された技術に関する。

ジョセフソン・デバイスは当技術分野で公知のものであ
り、低消費電力（約１マイクロワット）及び速いスイッ
チング速度（約数１０ピコ秒）を１５呈する点で主要な
利点を有する。

それらは超高速計算機の素子として使用するための属性
であり、これらの素子はその応用のために提案されてい
る。超伝導技術の進歩、特にメモリ及び論理のためのジ
ョセフソン・デバイスの開発は過去１０年間に２０おい
て多大のものがあつた。ジョブリン効果の発見に先立つ
た時点においても、大規模集積化及び電子回路の極端な
微小化における基本的な問題により新しい型のデバイス
構造が必要とされるかもしれないという指摘がなさ５
れていた。

例えば線幅の減少に伴なつてデバイスの寸法が減少する
にもかかわらず、デバイス当りの接続の数は殆んど同じ
ままである。信号の減衰及び分散を避ける分布型デバイ
ス構造及び新規なシステム概念が代替物として当技術分
野で提案さ３０れている。さらに分布型デバイスの概念
は容易にジョセフソン技術に拡張する事ができるが、し
かしながらに、ＮａＫａｊｉｍａ（中島）他、Ｊ、Ａｐ
ｐｌ。Ｐｈｙｓ、４７、１６２０（１９７６）；Ｔ、Ａ
。Ｆｕｌｔｏｎ他、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、２
２．２３２３５（１９７３）；及びＴＡ、Ｆｕｌｔｏｎ
他、Ｐｒｏｃ。ＩＥＥＥ６１、２８（１９７３）から明
らかなようにこれまで限られた進歩しか行なわれなかつ
た。本発明は、ジヨセフソン・ゾリドンの移動の選択的
制御の原理に基く分布型ジヨセフソン論理デバイスにつ
いて説明する。ジヨセフソン・ゾリドンとは、当技術分
野で公知の型の孤立したフラキソイドであつて、Ｊ．Ｒ
ｕｂｅｎｓｔｅｉｎ，Ｊ．ＯｆＭａｔｈ．Ｐｈｙｓ．ｌ
ｌ，２５８（１９７０）；Ａ．Ｃ．ＳｃＯｔｔ！ＮｕＯ
ｖＯＣｉｍｅｎｔＯＢ６９，２４ｌ（１９７０）：Ｔ．
Ａ．ＦｕｌｔＯｎ他、ＳＯｌｌｄＳｔａｔｅＣＯｍｍ．
ｌ２，５７（１９７３）；及びＴ．Ｖ．Ｒａｊｅｅｖａ
ｋｕｍａｒ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２７，５４３２（
１９８０）においてより完全に説明されている。Ｔ．Ｖ
．Ｒａｊｅｅｖａｋｕｍａｒの文献に報告されているよ
うに、ジヨセフソン伝送線（即ち長い１次元的なジヨセ
フソン接合）はジヨセフソン・ゾリドンを伝播させ得る
事が当技術分野で知られている。ゾリドンはジヨセフソ
ン伝送線中に公知の方法によつて発生させる事ができ、
且つジヨセフソン伝送線中のバイアス電流によるローレ
ンツカの影響の下にジヨセフソン伝送線中を伝播及び加
速させる事ができる。情報を運ぶためにゾリドン即ちフ
ラキソイドを使用するという概念は、ジヨセフソン伝送
線に沿つてこれらの情報を表現するゾリドンを移動させ
るという概念同様に公知である。

さらにジヨセフソン伝送線の交点に持つて来たゾリドン
を交点から出る１本の経路又は他の経路に沿つて移動さ
せる事ができる事も知られている。この事は先程の中島
の文献に説明されておジ、そこではその概念が論理回路
の設計のために使われている。この論交中で著者は２つ
の型の「分岐点」について説明している。１つの型では
、任意の１つの線上のトリガ分岐点（ＴＴＰ）へ伝播す
る１つの磁束量子は、接続された全ての線上に１つの磁
束量子を生成する。

他の型の、選択的分岐点（ＳＴＰ）と呼ばれる第２の分
岐点では、任意の１本の線上の分岐点に向つて伝播する
１つの磁束量子は１つだけの接続線上に１つの磁束量子
を生成する。どの線に１つの磁束量子が伝播するかは各
線のバイアス電流、局所的に印加された磁場、及び接合
の形状に依存して決定される。これらの分岐点を用いた
基本的論理回路がこの文献に説明されている。中島他の
構造には多くの欠点があり、実用的な回路ではない。

例えば１つの磁束量子が進むべき経路の選択に関する機
構は、デバイスの内部的減ノ衰ｒ（これはデバイス材料
の選択に高い依存性がある）、制御信号のデバイス・レ
ベルγ及び分岐点の交点における境界条件の選択の間の
競合の非常に微妙なバランスに依存している。

これらの競合する力が存在するので、ゾリドンを伝播さ
せたい所望の経路の選択は制御信号の有無以外の要素に
も依存する。これは経路選択の動作余裕が非常に限られ
る事を意味する。さらにチツプに｝けるデバイスの配置
設計又は種々のデバイスの形状の任意の変化が問題を生
じさせるであろう。さらに２つの型の分岐点は異なつた
構造を必要とし、従つて論理チツプを異なつた設計の複
数のデバイスから製造しなければならないのであろう。
この事は製造に対して及び必要なマスキング段階の数に
対してさらに拘束を与える。中島他の回路に訃いては、
望まざるゾリドンが分岐点にふ・いて発生し、それらの
ゾリドンは容易に除去されない。

またデバイスの出力と入力との間の有効なアイソレーシ
ヨンは、制御信号が直接ジヨセフシヨン伝送線に結合さ
れる時には得られない。さらにＬＳ回路に訃いては、回
路の信頼性と動作余裕を改善するために同じ制御信号振
幅を全体的に使う事が望ましい。しかしながら中島他の
回路では、デバイスの内部的減衰がチツプ全体にわたつ
て変化し、その方式を用いたＬＳＩ回路を製作するのは
事実上不可能である。さらに制御のために多数のバイア
ス・レベルが必要な事は大規模集積回路を製作する時に
非常に非実用的である。またさらにＳＴＰ分岐点を製造
する時に必要な多レベル接合は、製造工程が非常に困難
で且つ処理の歩留りが低い。本発明のスイツチング・デ
バイス及び回路はゾリドンの経路選択に関して違つた機
構を用いる事によつてこれらの問題を解決する。

経路選択を、競合する力の微妙なバランスに基づかせる
のではなく、本発明は単一のバイアス・レベルによつて
のみ経路選択を制御する。即ち伝送線の交点においてゾ
リドンが取る方向は適当な極性の制御信号の有無にのみ
依存する。さらに伝送線の交点に訃けるゾリドンの反射
は取り除かれ、望まざるゾリドンは交点にお・いて破壊
される。またさらに本発明の解決方式は入力回路と出力
回路との間にアイソレーシヨンを与え、従つて論理回路
の設計に｝いて有用である。従つて本発明の主な目的は
、ゾリドンが移動する経路を選択するための改良された
技術を提供する事である。

本発明の他の目的は、２本以上の伝送線の交点において
、制御信号の有無によつてのみゾリドンの経路を選択す
る技術を提供する事である。

本発明の他の目的は、複数のゾリドン誘導デバイスを有
する超伝導チツプ全体にわたつて一定振幅の制御信号が
選択のために用いられるような、ジヨセフソン伝送線中
のゾリドンのための経路選択方式を提供する事である。
本発明の他の目的は、望まざるゾリドンが効果的に消滅
させられるような、ゾリドンを選択された伝送線に誘導
するためのゾリドン偏向方式を提供する事である。

本発明の他の目的は、ゾリドンの移動可能な２本以上の
伝送線の交点にゾリドンが接近する時にゾリドンが望ま
ざる反射を受けないような、ゾリドン誘導デバイスを提
供する事である。

本発明の他の目的は、単一レベル構造に製造する事が容
易で且つ経路選択に関して良好な動作余裕を有する、ゾ
リドンの経路選択のためのゾリドン誘導デバイスを提供
する事である。

本発明の他の目的は、メモリ及び論理のためのジヨセフ
ソン・ゾリドンを用いた超伝導チツプであつて、異なつ
た機能を有する回路が同じジヨセフソン・ゾリドン経路
選択素子から製造できるようなものを提供する事である
。

本発明のジヨセフソン・ゾリドン選択方式は、広くは、
２本以上の出力ジヨセフソン伝送線の交点に向つてジヨ
セフソン・ゾリドンが移動する入力伝送線、交点にトラ
ツプされたゾリドンのエネルギーを消滅させるために交
点に位置する手段、及び出力伝送線の両方に直接又は誘
導的に結合された共通制御信号を与える制御手段を含む
。

経路選択過程は、競合する力が存在せず経路選択が制御
信号によつてのみ制御されるようなものである。さらに
制御信号には単一のバイアス・レベルしか必要ではない
。１実施例に訃いて入力伝送線及び複数の出力伝送線は
、同じ超伝導体の違つた部分が各伝送線の１つの電極を
構成するという意味で、共通の第１電極を有する。

この共通電極の上にトンネル障壁が設けられ、トンネル
障壁の上に第２の電極が形成される。第２の電極はデイ
スクリート抵抗（例えば正常金属）を介して相互接続さ
れる。共通バイアス電流は、出力伝送線の上に存在する
１本以上の制御線を経てデバイスに直接に注入するか又
は誘導的に結合し得る。出力伝送線及び入力伝送線の交
点にあるデイスクリート抵抗は、交点からのゾリドンの
反射をなくしそして望まざるゾリドンを破壊する。さら
にそれは直接注入された制御信号が入力伝送線中に漏洩
して戻る事を阻止する。この制御選択の原理が一度認識
されれば、多くの異なつた機能を持つ回路の設計を行な
う事ができる。代表的な例はデコーダであり、後で詳細
に説明する。これらの本発明の目的、特徴及び利点は以
下の良好な実施例についてのより具体的な説明から明ら
かになるであろう。

発明の理論 孤立した渦糸を、長いジヨセフソン伝送線中に発生させ
移動させる事ができる。

これらは第１．１図に示す型の位相波である、周知のジ
ヨセフソン・ゾリドンである。この図で位相波１０は速
度ｖで＋ｘ方向に伝播する。ゾリドンには循環電流が付
随するが、この電流１ｊ（Ｘ）のグラフが第１．２図に
距離ｘの関数として示されている。第１．３図はゾリド
ンを循環電流ループ１２として表わしたものである。但
しループ中の電流の方向は矢印によつて表わされ、ルー
プの反対側では逆向きである。ゾリドン１２は、超伝導
電極１４及び１６の間にトンネル障壁１８が配置された
ジヨセフソン・デバイスの電極１４及び１６の間にまた
がつている。ゾリドン１２から成る位相波は、第１．３
図の長いジヨセフソン接合から成る伝送線に沿つて移動
する事ができる。この時、ｄφ／Ｄｔに比例する電圧パ
ルスが発生する。ジヨセフソン侵人深さλ，と比較して
寸法が長く且つ狭い矩形ジヨセフソン接合（これは時々
１次元的接合と呼ばれる）はジヨセフソン・ゾリドンを
支持する事ができ、ゾリドンはその矩形ジヨセフソン接
合に沿つて伝播する事ができる。

第１．３図で、ゾリドン中の局在化されたジヨセフソン
超伝導電流は時計回りであるが、反時計回りの電流も可
能である。選ばれた規約に依存して孤立したフラキソイ
ド１２はゾリドン又は反ゾリドンと呼ばれる。第１．３
図に示す長い接合から成るジヨセフソン伝送線中に、２
つの既知の方式のいずれかによつてゾリドンを発生させ
る事ができる。

１つの方式は、例えば伝送線上に横たわる（伝送線から
絶縁された）制御線に電流を通す事によつてジヨセヘソ
ン伝送線中に磁束を誘導的に結合する事である。

制御線中の電流１は次の条件を満たさなければならない
。（１） １／２φｏ＜，ＬＩくφ。

但しＬは制彎に結合された相互インダクタンス、φｏは
磁束量子（２．０７×１０−１５Ｗｂ）である。

ジヨセフソン伝送線中にゾリドンを発生させるための第
２の方式は、一端に次のような振幅１ｐの電流パルスを
直接注入する事である。（２） Ｉｐ〉２λ，ＪｌＷ この式においてλ，はジヨセフソン侵入深さ、ｊ１はジ
ヨセフソン電流密度そしてｗはジヨセフソン伝送線の幅
である。

直接注入により発生させられるゾリドンの数及びその運
動エネルギーは、伝送線の準粒子トンネリング・インダ
クタンス及びインピーダンス並びに注入されたパルスの
大きさ、幅及び立ち上り時間、立ち下り時間に依存する
。

ゾリドンが伝送線中に発生させられると、それは線路の
電極の一方から他方へとトンネルするバイアス電流によ
るローレンツカの影響の下に伝送線を伝播させ加速ざせ
る事ができる。

無散逸の線路にあ・いて、ゾリドンはｃより小さな任意
の速度ｖで進行できる。ｃは線路を構成する接合中の電
磁波の速度である。散逸性の線路に｝いては、この事は
バイアス電流が散逸を補償するのに充分な位に大きけれ
ば達成されるであろう。移動するゾリドン又は反ゾリド
ンはｄφ（Ｘ，ｔ）／Ｄｔに関係する電圧パルスＶを発
生する。

但しφ（Ｘ，ｔ）は伝送線の２つの電極間の、位置及び
時間に依存する位相差である。バイアスされた線路をゾ
リドンが加速される時、付随する電圧パルスの高さは、
位相速度ｖの増加に伴なつて増加し、電圧のパルス幅は
相対論的に減少する。現実の伝送線接合において、ゾリ
ドンの最大速度は線路の損失及びバイアスによつて決定
される。バイアス電流はゾリドン（反ゾリドン）に対し
てローレンツカを及ぼす。定常状態に訃いて、バイアス
電流によるゾリドンに対するローレンツカは、準粒子ト
ンネリング及び表面の不均一さによる引つぱりと釣り合
う。バイアス電流の流れの方向は、ゾリドンの極性と共
に、伝送線中のゾリドンの移動方向を一意的に決定する
。交点におけるゾリドンの振舞い（第２図〜第５．２図
）第２図は２つの出力ジヨセフソ７伝送線２２及び２４
と交差する入カジヨセフソン伝送線２０を示す。

これらの伝送線２０〜２４は共通のベース電極２６及び
共通の対向電極２８を有する。電極２６及び２８は各々
ベース電極及び対向電極と呼ばれているが、これは説明
のためでしかない事を理解されたい。丁般に、最初に製
造された電極層が「ベース」電極と呼ばれ、トンネル障
壁３０上に形成された電極が「対向」電極と呼ばれる。
伝播導体３２中のバイアス電流１ｂは、出力伝送線２２
及び２４の交点に直角に適当な極性のゾリドンを移動さ
せるために使用される。制御導体３４は伝送線２２にバ
イアス電流１ｂを供給し、導体３６は伝送線２４にバイ
アス電流１ｂを供給する。第３．１図及び第３．２図は
、第２図の線３−３に沿つて破断した構造の断面の図で
ある。

出力伝送線２２及び２４を構成する１体の伝送線を横切
る矢印３８はバイアス電流１ｂの向きを表わす。従つて
第３．１図に示すように線路全体にわたつて一様なバイ
アスが存在する。もしゾリドンを入力伝送線２０に沿つ
てその位置に伝播させる事によつて、又は線路の中央部
で２πの位相変化を作り出す事によつて第３．１図の伝
送線の中央部にゾリドンＳが作られると、位相の連続性
により反ゾリドンＡＳも生成される。

バイアス電流１ｂによるローレンツカの影響の下に、第
３．２図に示すようにゾリドンは一方の端に向つて移動
し、また反ゾリドンは他端に向つて移動する。第４図に
伝送線の各半分が反対の極性の電流でバイアスされた状
況が示されている。

例えばこの状況は、第２図の構造においてもし伝送線２
４のバイアス電流１ｂが伝送線２２のバイアス電流Ｉｂ
と逆向きであれば実現される。従つて第４図では矢印４
０は上向き、矢印４２は下向きである。第４図のバイア
ス配置は、伝送線の中央部に反ゾリドンに関して磁場の
ポテンシヤル井戸を形成する。部分２２及び２４を有す
る伝送線の中央部にゾリドン及び反ゾリドンが生成され
る時、ゾリドンＳは右方へ導かれ、反ゾリドンは伝送線
の中央部のポテンシヤル井戸中にトラツプされる。第５
．１図及び第５．２図は、伝送線の中央部に抵抗Ｒが存
在し且つ電極２８の２つの部分の間に接続された状況を
示す。第５．１図で伝送線の左側のバイアス電流１ｂは
、第４図と同様に、右側のバイアス電流と逆向きである
。この場合伝送線の中央部は抵抗性なので、反ゾリドン
は一定時間後に消滅するが、ゾリドンＳは図の右側の選
択された出力に到達する。この事によつて、本発明のス
イツチに｝いて利用される選択方式が与えられる。第５
．２図では、バイアス電流１ｂの方向が第５．１図の方
向とは逆である。

この場合、ゾリドンが伝送線の中央部のポテンシヤル井
戸にトラツプされ消滅するが、反ゾリドンＡＳは図面の
左側に導かれる。ゾリドン誘導スイツチ（第６図〜第９
図）第４図、第５．１図及び第５．２図に関して説明し
た選択原理を用いたゾリドン・スイツチのレイアウト及
び構造が第６図に示されて｝り、このデバイスの等価回
路が第７図に示されている。

よね詳細に説明すると、、条線セグメント４４は入力伝
送線４６の上側の電極、条線セグメント４８はジヨセフ
ソン伝送線５０の上側の電極である。同様に条線５２は
ジヨセフソン伝送線５４の上側の電極である。伝送線５
０に沿つて左から右へ移動するゾリドンは出力Ａを与え
、出力伝送線５４に沿つて右へ移動するゾリドンは電圧
出力Ｂを発生する。制御電流１。の極性に依存して、出
力Ａ又はＢのいずれかが得られる。伝送線４６は下側の
電極５６、上側の電極４４及びその間に配置されたトン
ネル障壁５８から構成される。

電極４４及び５６には、伝送線４６中にゾリドンＳを発
生させるために使われる電流パルス源６０が接続される
。バイアス電流源６２は電極４４及び５６の間に接続さ
れ、図示される方向に接合５８を横切るバイアス電流を
供給する。この電流は、ゾリドンＳに対して働くローレ
ンツ力Ｆを生じさせ、この力によジゾリドンは伝送線５
０及び５４から成るＵ字形の構造に向つて移動させられ
る。電極６４は伝送線５０及び５４の両者に対して共通
である。

トンネル障壁６６は伝送線５４の上側の電極と下側の電
極との間にあり、トンネル障壁６８は伝送線５０の上側
の電極と下側の電極との間にある。これらの伝送線の全
ての上側及び下側の電極は超伝導体であり、トンネル障
壁はジヨセフソン電流がそこをトンネルできる位に充分
に薄い。

出力ジヨセフソン伝送線の上側の電極４８及び５２の中
央には抵抗Ｒが配置され、これは共通のベース電極から
電気的に分離されている。これらの出力伝送線は単一の
Ｕ字形のジヨセフソン伝送線と見なしてもよい。抵抗Ｒ
は、Ｐｂ−１ｎ超伝導合金電極の場合はＩｎＡｕ合金等
の、任意の正常材料を都合良く用いる事ができる。抵抗
Ｒは、正確に選択する必要はないが典型的な場合は入力
伝送線４６のインピーダンスと整合するように選択され
る。この値は例えば３０％の変化が許容される。この事
は抵抗Ｒの機能を詳細に述べる時に明らかになるであろ
う。制御電流源７０は電極４８に制御バイアス電流１０
を供給する。

この電流は障壁６８をトンネルし、電極６４を経由して
伝送線５４に至る。次にこの電流は障壁６６をトンネル
し、電極５２に接続されたリード７２を経てデバイスを
出て行く。第６図のデバイスの動作は、第５．１図及び
第５．２図に関して説明した原理に合致している。抵抗
Ｒに接近するゾリドンＳはその位置に反ゾリドンを生じ
させるが、これは消滅させられる。しかしながら、ゾリ
ドンの方は抵抗Ｒの領域を非常に速く通過するので消滅
させられない。制御信号１０の極性に依存して、伝送線
５０又は伝送線５４のいずれかをゾリドンが移動する。
この図面で選択された規約の場合、もしＩ。が正であれ
ばゾリドンは出力Ａに生じ、ＩＯが負であれば出力Ｂに
生じる。この図面でゾリドンＳが伝送線５０に示され、
破線のゾリドンＳが伝送線５４に示されている。出力Ａ
及びＢは出力ジヨセフソン伝送線５０及び５４の上側と
下側の電極に接続された導体の間に与えられる。ジヨセ
フソン伝送線４６，５０及び５４の幅はλ，よりも小さ
く、従つて電流１。

は幅方向に一様である。最適な設計において、電流密度
はλ，及び幅の両者を、製造可能な最小線幅に等しくす
るように調整される。伝送線４６，５０及び５４の最小
の長さは少なくとも移動するゾリドンの波長程度である
べきであり、これは数値シミユレーシヨンから見い出す
事ができる。反射を最小化するために、アイソレーシヨ
ン抵抗Ｒの値は電極４８又は５２のいずれかと電極４４
との間の抵抗値が伝送線の特性インビーダンスに等しい
ように選定される。個別抵抗Ｒは多くの機能に役立つが
、その基本的な機能はＵ字形出力伝送線に形成されたポ
テンシヤル井戸にトラツプされたゾリドン（又は反ゾリ
ドン）のエネルギーを散逸させる事である。

さらに抵抗Ｒは、デバイスの動作に有害な、中島他の文
献に説明されている型の反射をなくすようなインピーダ
ンスを有し得る。さらに抵抗Ｒの存在によつて、制御電
流１。が電極４８から伝送線５４の電極５２に至る経路
を流れずに伝送線５０の上側の電極から下側の電極へト
ンネルする事が保証される。第６図の実施例に｝いて伝
送線５０の制御電流は下向きにトンネルし、一方伝送線
５４では同じ電流が上向きにトンネルする。また抵抗Ｒ
は制御電流１。が入力伝送線４６に戻る事を妨げるので
、デバイスの入力段とＵ字形出力段との間にアイソレー
シヨンを与える。第７図は第６図のデバイスの等価回路
である。

この等価回路は標準的な表記法を用い、従つて伝送線４
６，５０及び５４はインダクタＬ及び点接合７４によつ
て表わされている。伝送線４６のトンネル接合を横切つ
て流れるバイアス電流１ｂは、点接合７４で表わされる
電流経路を流れる。第６図の抵抗Ｒは出力伝送線５０及
び５４と入力伝送線４６との間に存在する抵抗Ｒによつ
て表わされる。伝送線５０及び５４は負荷抵抗ＲＬで終
端する。また出力伝送線を流れる制御電流１。は矢印７
６で示されている。第８図は、第７図の点接合７４を表
わすために使われる、抵抗と容量とを並列に接続した接
合の周知のモデルである。

このモデルでは、理想的なジヨセフソン素子がキヤパシ
タＣｊ及び非線型抵抗Ｒｊに並列に接続されている。Ｒ
ｊは準粒子トンネリングのコンダクタンスの逆数である
。第９図は選択された出力における数値計算された電圧
波形を非選択出力の電圧波形と比較して示すものである
。第９図で出力電圧は時間に対してプロツトされ、選択
された出力は実線８０で表わされ、選択されなかつた出
力は破線８２で表わされている。非選択出力に到達する
小さな電圧の擾乱はプラズマ振動によるものであり、選
択された出力よりも２５のフアクタ一だけ小さなピーク
振幅を有する。従つて選択された出力と非選択出力との
間の弁別度は非常に大きくできる。第９図の曲線を得る
のに用いたシミユレーシヨンに訃いて、線幅２．５μの
鉛合金トンネル接合から成るジヨセフソン伝送線が用い
られた。

但しジヨセフソン電流密度ｊ１は６００Ａ／ｄであつた
。準粒子トンネリング特性は高品質の接合の場合に得ら
れる典型的なものに選定された。用いた制御電流密度は
０．７ｊ１Ｗ１、但しＷ及びｌは各々ジヨセフソン伝送
線の幅及び長さである。このシミユレーシヨンにち一い
て各ジヨセフソン伝送線セグメントの代わりに２５個の
点接合が用いられた。但し各セグメントは約３λ，の長
さであつた。第６図で制御電流１。はデバイスに直接結
合されていた。しかし制御電流１。はデバイスに磁気的
に結合してもよい。これは第１０図に示されて｝ね、こ
こでは可能な限り第６図と同じ参照番号が使われている
。例えば入力伝送線４６は、伝送線５０及び５４から成
るＵ字形出力伝送線に接続される。第１０図の基本構造
は、制御電流１。が伝送線５０の電極４８に直接注入さ
れる代りにデバイスに磁気的に結合される点以外は第６
図と同様である。制御電流を磁気的に結合させると、制
御線からのデバイスのアイソレーシヨンが得られる。

これは伝送線５０及び５４の上側の電極の間にインダク
タ８４を接続し、その上に制御線８６を配置する事によ
つて達成される。制御線８６は伝送線４６，５０及び５
４の上側電極から絶縁されている。動作する時、制御線
を通る電流１ｃはデバイス中に遮蔽電流を誘起する。

もし遮蔽電流が伝送線５０で上側の電極から下側の電極
へ流れれば、この電流は伝送線５４に卦いて下側電極か
ら上側電極に流れるであろう。磁束量子のトラツプを避
けるために、設計はＬＩＯくφ。を満足させるべきであ
る。但しＬは制御線８６とインダクタ８４との間の相互
インダクタンス、ＩＯは等価回路のセグメントの最大ジ
ヨセフソン電流である。もしＬＩＯ〉φｏならぱ、りセ
ツト動作が必要であろう。デバイスの応用（第１１図及
び第１２図）このゾリドン誘導デバイスを用いて製作可
能な最も単純な回路の１つはデコーダである。

２段の木デコーダが第１１図の上面図に図示されている
。

このデコーダには３つの電流誘導部分があり、その交点
には抵抗Ｒｌ，Ｒ２及びＲ３が配置されている。制御電
流１。Ａ及びＩ。Ｂの印加に依存して、ジヨセフソン伝
送線８８の入力に供給されたゾリドンは選択された出力
１，２，３又は４に現われる。これらの制御電流の極性
を適当に組み合せる事により、どの出力にゾリドンが配
送されるかが決定される。例えばもしＩ。Ａ及びＩ。Ｂ
が正であれば、出力１が選択される。もしＩ。Ａが正で
且つＩ。Ｂが負であれば、出力２が選択される。もしＩ
。Ａが負で且つＩ。Ｂが正であれば、出力３が選択され
る。もしＩ。Ａ及びＩ。３が共に負であれば、出力４が
選択される。

アドレス電流１。

Ａ及びＩ。Ｂが流れる線はアドレス・レジスタとしても
機能する。そのような場合、アドレス電流が落ち付いた
後、ゾリドンが入力にトリガされた時にデコーデイング
が開始される。デコーデイング遅延はゾリドンを入力か
ら選択された出力へと誘導するのに必要な時間である。
デコーダの動作は、例え２個以上のゾリドンが入力で発
生しても影響を受けない。第１１図のデコーダに｝いて
制御電流は双極性であるが、当業者の認めるように、各
誘導デバイスの上に（１本の制御線の代わりに）２本の
独立な制御線を走らせる事によつて真及び補の構成を用
いて単極性の電流を使用する事ができよう。

例えばＳ．Ｍ．Ｆａｒｉｓ他、ＢＭＪ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖ
ｅｌＯｐｍｅｎｔ２４，ｌ４３（１９８０）を参照され
たい。本発明の基本的なゾリドン電流誘導デバイスの概
念を確かめるために、１０個のゾリドン誘導デバイスの
鎖を含む回路が設計されテストされた。

この回路は第１２図に図示されており、１０段のデコー
ダの概念をテストするために使う事ができる。デコーダ
の各段は第７図の等価回路を有する。この実験において
最初の９段に関する制御は共通の供給電流１０１に接続
され、最後の段には独立な制御電流１。２が供給される
。

デバイス鎖の入力にお・けるパルス発生器９０はパルス
発生器ゲート９１及び抵抗Ｒを含む。ここで作られたゾ
リドンはジヨセフソン伝送線９２を通つて最初の段９４
へと加速される。制御（アドレス）電流１０１及び１０
２により、ゾリドンは出力１又は出力２に誘導する事が
できる。ゾリドンが誘導される出力は、出力ループ１０
０及び１０２によつて制御される干渉装置モニタ・ゲー
ト９６及び９８の電圧をモニタする事によつて決定され
る。ゾリドンに付随する電流パルスの波形は、モニタ・
ゲート９８を含む高分解能のジヨセフソン標本化される
。この標本化方式はＳ．Ｍ．Ｆａｒｉｓ，Ａｐｐｌ，Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３６，ｌＯＯ５（１・９８０）に記
載されている。出力ループ１００及び１０２は各々、モ
ニタ・ゲート９６及び９８に供給されるパルスを尖鋭化
するジヨセフソン接合Ｊ１及びＪ２を含む。

鎖の段の１番目〜９番目の選択されなかつた分枝は整合
抵抗（図示せず）で終端する。この回路は、実験上の便
宜のためにデコーデイング遅延を増加させるため、狭い
線幅の技術を用いずに５μの最小線幅の技術を用いて設
計された。デバイスの鎖の機能的動作入力の全ての可能
な置換に関して準静的に確認された。

行なつたテストは表１に要約されている。×はどのモニ
タ・ゲートがスイツチされたかを示す。例えばモニタ・
ゲート９６は、両方の制御電流１。１及びＩ。

２が正で且つゾリドンが生成された（デバイス鎖がトリ
ガされた）時にのみスイツチする事が観察される。

表１に記された動作を観測しながらＩ。ｌ及び１０２が
変動できる範囲は、１０１に関しては±４３％そしてＩ
。２に関しては±６７％である事が測定された。

デバイスからデバイスへの電流密度の変動によＶ）ＩＯ
ｌに関する範囲はＩ。２よりも低くなつている。

この設計の場合１Ｃ１及びＩ。２の範囲に関する理論的
最大許容値は±７５％である。

パルス発生器トリガＴは発生器回路９０にパルス１０４
を発生させる。

電流レベル９９はパルス発生器ゲート９１に関するゲー
ト電流、電流レベル１０１はゲート１０６に関するゲー
ト電流である。また電流１０３はモニタ・ゲート９６及
び９８に関するゲート電流である。デバイス遅延は以下
の方法で測定された。

入力ゾリドンをトリガする電流パルス１０４は遅延基電
ゲートとして機能する干渉装置１０６もスイツチする。
このゲートは電流を基準信号線１０８中に移動させる。
この基準信号線はモニタ・ゲート９８から成るジヨセフ
ソン標本化装置によつてモニタされる。入カジヨセフソ
ン伝送線９２を通つて最初の段９４に至るゾリドンの走
行時間に全デバイス遅延を加えたものに等しい時間の後
、ゾリドンは選択された出力に到達する。選択された出
力におけるゾリドンに付随する電流パレスもゲート９８
からなる標本化装置によつてモニタされる。２つの標本
化された波形の相対的分離から、トリガ・パルス立ち上
り時間及び基準信号線遅延に関する小さな補正を行なつ
て、全デバイス遅延を導き出す事ができる。

本発明のソレトン誘導デバイスは前述の中島の文献に訃
いて行なわれたように論理回路を作るために使う事がで
きる。

またこのデバイスは今日までに知られた最高速且つ最小
の電流誘導デバイスであり、回路性能を数多く改善する
であろう。特定の実施例について説明して来たが、他の
実施例が設計可能である事は当業者にとつて明らかであ
ろう。例えば多数の制御線を組み合せて用い、それらの
線の電流が加算されて制御効果を生じさせるように、又
は反対の効果を生じそれによつて互いに実効的に相殺す
るようにする事ができる。このようにして複雑な論理関
数が設計できる。

【図面の簡単な説明】

第１．１図、第１．２図及び第１．３図は、各各ゾリド
ン波の性質、ゾリドン中の循環電流Ｉｊ（Ｘ）、及び長
いジヨセフソン伝送線中のゾリドンの物理的表現を示す
図、第２図は入カジヨセフソン伝送線と２つの出力ジヨ
セフソン伝送線との交点を表わす図、第３．１図及び第
３．２図は第２図の線３−３に沿つた断面図、第４図は
２つの出力伝送線のバイアス電流が反対極性の場合の、
第２図の線３−３に沿つた断面図、第５．１図及び第５
．２図は入力伝送線と出力伝送線との交点に配置された
抵抗が、２つの出力伝送線のバイアス電流が反対極性の
時に、交点にトラツプされたゾリドン又は反ゾリドンを
消滅させるためにいかにして用いられるかを示す図、第
６図は本発明の基本的なゾリドン・デバイスを示す図、
第７図は第６図のデバイスの等価回路を示す図、第８図
は点接合の等価回路の図、第９図は第６図のデバイスの
選択された出力のシミユレーシヨン電圧波形を選択され
なかつた出力と比較して示す図、第１０図は制御電流１
。 がデバイスに直接注入されずにデバイスに磁気的に結合
された基本的なゾリドン・デバイスを示す図、第１１図
は２ビツト・デコーダの図、第１２図はデコーダ回路を
作るに使用可能なゾリドン・デバイスの１０段の鎖を示
す図である。４６・・・・・・入力伝送線、５０，５４
・・・・・・出力伝送線、５６，６４・・・・・・下側
の電極、４４，４８，５２・・・・・・上側の電極、５
８，６６，６８・・・・・・トンネル障壁、６０，６２
，７０・・・・・・電流源、Ｒ・・・・・・抵抗、Ｓ・
・・・・・ゾリドン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ジョセフソン・ソリトンを伝播させ得る入力ジョセ
   フソン伝送線と、上記入力伝送線と交わり、且つジョセ
   フソン・ソリトンを伝播させ得る少なくとも２本の出力
   ジョセフソン伝送線と、上記入力伝送線から導入された
   ソリトンにより上記入力伝送線と上記出力伝送線との交
   点に発生したソリトンを、選択された出力伝送線に引き
   付け且つ選択されなかつた出力伝送線からは斥けるよう
   に上記出力伝送線に反対極性の制御電流を供給する手段
   と、上記斥けられたソリトンを上記交点において消滅さ
   せる手段とを備えたジョセフソン・ソリトン誘導デバイ
   ス。 ２ 上記ジョセフソン・ソリトンを消滅させる手段が抵
   抗である特許請求の範囲第１項記載のデバイス。 ３ 上記制御電流が上記出力伝送線に磁気的に誘導され
   る特許請求の範囲第１項記載のデバイス。 ４ 上記制御電流が上記出力伝送線に直接的に注入され
   る特許請求の範囲第１項記載のデバイス。