RU2343591C1 - Josephson- transition super-conducting device - Google Patents

Josephson- transition super-conducting device Download PDF

Info

Publication number
RU2343591C1
RU2343591C1 RU2007123795/28A RU2007123795A RU2343591C1 RU 2343591 C1 RU2343591 C1 RU 2343591C1 RU 2007123795/28 A RU2007123795/28 A RU 2007123795/28A RU 2007123795 A RU2007123795 A RU 2007123795A RU 2343591 C1 RU2343591 C1 RU 2343591C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layers
ferromagnetic material
superconductor
thin
josephson
Prior art date
Application number
RU2007123795/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Тать на Юрьевна Карминска (RU)
Татьяна Юрьевна Карминская
нов Михаил Юрьевич Купри (RU)
Михаил Юрьевич Куприянов
занов Валерий Владимирович Р (RU)
Валерий Владимирович Рязанов
Original Assignee
Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова filed Critical Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Priority to RU2007123795/28A priority Critical patent/RU2343591C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2343591C1 publication Critical patent/RU2343591C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics, measurements.
SUBSTANCE: invention relates to cryogenic devices and can be used in measuring instruments, radio communication and data processing hardware operated at low temperatures. Josephson-transition superconducting device substrate has a weak-bond area formed as a thin-film FNF-structure connected with superconductor electrodes. Aforesaid thin-film structure is made up of F layers of ferromagnetic material with magnetisation directions lying in the plane of structure, a layer N of normal metal being arranged between aforesaid ferromagnetic metal F layers for them to turn said magnetisation directions relative each other. Superconducting electrodes are connected to opposite lateral sides of aforesaid FNF-structure.
EFFECT: higher-efficiency control over Josephson-transition critical current by external magnetic field due to provision of several independent channels for aforesaid critical current to pass through.
8 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.The invention relates to cryoelectronic devices and can be used in measuring equipment, radio engineering and information systems operating at low temperatures.

Описано большое число конструкций сверхпроводящих приборов, основанных на эффекте Джозефсона (далее - СПД), которые перспективны для использования в различных слаботочных сверхпроводящих устройствах (устройства быстрой одноквантовой логики, приемно-передающие устройства, магнитометрические устройства). Эффект Джозефсона возникает в области т.н. «слабой связи», образующейся в месте контакта двух сверхпроводников через несверхпроводящий материал с любым типом проводимости. При этом основной проблемой реализации является подбор физико-химических характеристик материалов слоев, обеспечивающих как высокие значения критического тока Ic при заданном расстоянии L между сверхпроводниками, так и возможность управления величиной и знаком Iс.A large number of designs of superconducting devices based on the Josephson effect (hereinafter - SPD) that are promising for use in various low-current superconducting devices (fast single-quantum logic devices, transmitting and receiving devices, magnetometric devices) are described. The Josephson effect occurs in the so-called "Weak coupling" formed at the point of contact of two superconductors through a non-superconducting material with any type of conductivity. In this case, the main implementation problem is the selection of the physicochemical characteristics of the layer materials providing both high critical current I c at a given distance L between superconductors and the ability to control the magnitude and sign of I c .

Традиционно известные СПД представляют собой сформированную на диэлектрической подложке многослойную тонкопленочную структуру, включающую сверхпроводник, изолирующие, барьерные и функциональные слои. В зависимости от назначения и конструктивного исполнения осуществляется выбор материалов подложек и самих активных сред.Traditionally known SPDs are a multilayer thin-film structure formed on a dielectric substrate, including a superconductor, insulating, barrier, and functional layers. Depending on the purpose and design, the choice of substrate materials and the active media themselves is carried out.

Так, описан СПД, образованный на монокристаллической диэлектрической подложке и имеющий три слоя: два слоя из сверхпроводника YВа2Cu3О7-x (YBCO), один из которых - нижний - размещен непосредственно на подложке, разделенные барьерным слоем (US 6541789, Sato, et al., 01.04.2003). Слабая связь образована на торце одного из сверхпроводников.So, an SPD is described, which is formed on a single-crystal dielectric substrate and has three layers: two layers of a YВа 2 Cu 3 О 7-x superconductor (YBCO), one of which is the lower one, placed directly on the substrate, separated by a barrier layer (US 6541789, Sato , et al. 04/01/2003). A weak bond is formed at the end of one of the superconductors.

Известен СПД (JP 3190175, YUZURIHARA et al., 20.08.1991), представляющий собой устройство с четырьмя токоподводами, в котором ток, задаваемый через одну из пар токоподводов, переводит в ферромагнитное состояние имеющуюся внутри устройства пленку из антиферромагнитного вещества, не находящегося в области джозефсоновского контакта. Возникающий при этом магнитный момент создает магнитное поле, приводящее к подавлению критического тока джозефсоновского элемента, расположенного между двумя другими токоподводами устройства, и к генерации на нем импульса напряжения.Known SPD (JP 3190175, YUZURIHARA et al., 08/20/1991), which is a device with four current leads, in which the current, set through one of the pairs of current leads, transfers to the ferromagnetic state the existing film from the antiferromagnetic substance, which is not in the region Josephson contact. The magnetic moment arising in this case creates a magnetic field, which leads to the suppression of the critical current of the Josephson element located between two other current leads of the device and to the generation of a voltage pulse on it.

Известен также СПД, предназначенный для управления потоком электронов и имеющий многослойную структуру «сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник» и не использующий диэлектрические барьерные слои (US 6995390, Tsukui, 07.02.2006).Also known SPD, designed to control the flow of electrons and having a multilayer structure "superconductor - normal metal - superconductor" and does not use dielectric barrier layers (US 6995390, Tsukui, 02/07/2006).

Известен СПД, предназначенный для управления критическим током пятислойных двухбарьерных джозефсоновских переходов, в которых расположенный внутри барьеров материал содержит ферромагнитную пленку. Ее назначение состоит в обеспечении зеемановского расщепления резонансных уровней электронов во внутрибарьерной области с целью осуществления контроля величины критического тока структуры посредством управления положением расщепленных уровней относительно энергии Ферми электродов напряжением, приложенным к дополнительным управляющим контактам структуры (US 6344659, Ivanov et al., 05.02.2002 - ближайший аналог).Known SPD, designed to control the critical current of five-layer double-barrier Josephson junctions, in which the material located inside the barriers contains a ferromagnetic film. Its purpose is to provide Zeeman splitting of the resonant electron levels in the intra-barrier region in order to control the critical current of the structure by controlling the position of the split levels relative to the Fermi energy of the electrodes by the voltage applied to the additional control contacts of the structure (US 6344659, Ivanov et al., 02/05/2002 - the closest analogue).

Анализ уровня техники показывает, что известные устройства с джозефсоновскими переходами, в том числе ближайший аналог, обычно предусматривают задание тока по толщине композитной области слабой связи, то есть в направлении, перпендикулярном плоскости многослойной тонкопленочной структуры. Такие устройства обладают существенными недостатками в части управления параметрами тока за счет взаимной экранировки полей слоями самой же структуры (например, одного ферромагнитного слоя другим), а также малыми глубинами проникновения сверхпроводящего состояния по отношению к одноименным в нормальном металле.An analysis of the prior art shows that known devices with Josephson junctions, including the closest analogue, usually provide for setting the current across the thickness of the composite weak-bond region, that is, in the direction perpendicular to the plane of the multilayer thin-film structure. Such devices have significant drawbacks in terms of controlling the current parameters due to mutual screening of the fields by layers of the same structure (for example, one ferromagnetic layer by another), as well as by small depths of penetration of the superconducting state with respect to the same in the normal metal.

Задачей изобретения является СПД, конструкция которого позволяет устранить указанные недостатки, а именно обеспечить более эффективное управление критическим током джозефсоновских переходов посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов его протекания.The objective of the invention is SPD, the design of which allows to eliminate these disadvantages, namely, to provide more efficient control of the critical current of Josephson junctions by means of an external magnetic field due to the organization of a number of independent channels of its flow.

Задача решена тем, что сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом включает образованную на подложке область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной структуры, связанной с электродами из сверхпроводника. Тонкопленочная структура состоит из слоев ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал. Электроды из сверхпроводника присоединены к противолежащим боковым граням тонкопленочной структуры, причем направления намагниченности слоев ферромагнитного материала лежат в плоскости тонкопленочной структуры, а сами слои выполнены с возможностью разворота указанных направлений намагниченности друг относительно друга.The problem is solved in that a superconducting device with a Josephson junction includes a weak-bonding region formed on a substrate in the form of a multilayer thin-film structure connected with electrodes from a superconductor. Thin-film structure consists of layers of ferromagnetic material - normal metal - ferromagnetic material. Superconductor electrodes are attached to opposite side faces of the thin-film structure, and the directions of magnetization of the layers of the ferromagnetic material lie in the plane of the thin-film structure, and the layers themselves are capable of reversing the indicated directions of magnetization relative to each other.

Прибор может характеризоваться тем, что слои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля, а также тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе, и тем, что в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa2Cu3О7-х, где Re - редкоземельный металл.The device can be characterized by the fact that the layers of the ferromagnetic material have different values of the coercive field, as well as the use of niobium or an alloy based on it, and the fact that the compound of rare-earth cuprates of the general formula ReBa 2 Cu 3 O 7 is used as the superconductor x , where Re is a rare earth metal.

Прибор может характеризоваться, кроме того, тем, что в качестве ферромагнитного материала использованы Ni, Со, Fe или металлические сплавы на их основе, и тем, что в качестве нормального металла использован элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.The device can be characterized, in addition, by the fact that Ni, Co, Fe or metal alloys based on them are used as a ferromagnetic material, and by the fact that an element from the group Cu, Au, Al, Pt is used as a normal metal.

Прибор может характеризоваться также тем, что толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла составляют 10-100 нм.The device can also be characterized in that the thicknesses of the layers of the ferromagnetic material and the normal metal are 10-100 nm.

Технический результат изобретения - возможность независимого изменения направлений намагниченности слоев, управления величиной, периодом осцилляции и направлением задания тока через СПД за счет организации трех независимых каналов его протекания. Это реализуется посредством структуры СПД с новой конфигурацией слоев в композитной области: S-(FNF)-S, где S, N, F - слои сверхпроводника, нормального металла и ферромагнетика соответственно. В этой топологии обеспечивается задание сверхпроводящего тока в направлении, параллельном FN-границам композитной области слабой связи в S-(FNF)-S структуре.The technical result of the invention is the ability to independently change the directions of the magnetization of the layers, control the magnitude, period of oscillation and the direction of the current through the SPD due to the organization of three independent channels of its flow. This is realized through the SPD structure with a new configuration of layers in the composite region: S- (FNF) -S, where S, N, F are the layers of a superconductor, a normal metal, and a ferromagnet, respectively. In this topology, the superconducting current is set in the direction parallel to the FN boundaries of the composite weak coupling region in the S- (FNF) -S structure.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:The invention is illustrated in the drawings, where:

на фиг.1 представлена конструкция патентуемого прибора;figure 1 presents the design of the patented device;

на фиг.2, 3 - зависимость мнимой и действительной части волнового вектора q3 от величины обменной энергии одного из слоев ферромагнетика соответственно;figure 2, 3 - dependence of the imaginary and real part of the wave vector q 3 from the magnitude of the exchange energy of one of the layers of a ferromagnet, respectively;

на фиг.4 - зависимость критического тока от расстояния между сверхпроводящими электродами;figure 4 - dependence of the critical current on the distance between the superconducting electrodes;

на фиг.5 - то же, что на фиг.4, для фиксированного значения расстояния;figure 5 is the same as in figure 4, for a fixed distance value;

на фиг.6 - зависимость нормированной части критического тока от нормированного значения обменной энергии.figure 6 - dependence of the normalized part of the critical current from the normalized value of the exchange energy.

Сверхпроводящий прибор (см. фиг.1) включает подложку 1. На ее поверхности образована многослойная тонкопленочная структура, состоящая из первого слоя 2 ферромагнитного материала, слоя 3 нормального металла и второго слоя 4 ферромагнитного материала. Ферромагнитные пленки должны быть монодоменными, технология изготовления их известна. Слои 2, 4 ферромагнитного материала должны обладать различающимися величинами коэрцитивных полей, что позволяет разворачивать направления намагниченности в слоях относительно друг друга. Это может быть обеспечено, например, изготовлением слоев 2 и 4 с несколько различающимися толщинами (~30%) или шириной пленки, а также выбором материала подложки 1 или нормального металла в слое 3.The superconducting device (see FIG. 1) includes a substrate 1. On its surface, a multilayer thin film structure is formed consisting of a first layer 2 of ferromagnetic material, a layer 3 of normal metal and a second layer 4 of ferromagnetic material. Ferromagnetic films must be single-domain, their manufacturing technology is known. Layers 2, 4 of ferromagnetic material should have different values of coercive fields, which allows you to reverse the directions of magnetization in the layers relative to each other. This can be achieved, for example, by the manufacture of layers 2 and 4 with slightly different thicknesses (~ 30%) or film width, as well as the choice of substrate material 1 or normal metal in layer 3.

Противолежащие боковые грани структуры подсоединены к электродам 5 из сверхпроводника и токоподводам 6. Вследствие этого сверхпроводящий ток, подаваемый через токоподводы 6 к электродам 5, одновременно протекает по трем независимым каналам FNF-структуры длиной L, образованным слоями 2, 3, 4. Боковые грани 7 структуры подсоединены к электродам 5 из сверхпроводника.Opposite side faces of the structure are connected to the electrodes 5 from the superconductor and current leads 6. As a result, the superconducting current supplied through the current leads 6 to the electrodes 5 simultaneously flows through three independent channels of the FNF structure of length L formed by layers 2, 3, 4. Side edges 7 structures connected to the electrodes 5 of the superconductor.

В качестве составляющих FNF-структуры, пригодных для реализации патентуемого устройства, могут быть использованы материалы, применяемые в технологии криоэлектронных материалов и известные специалистам. Например, в качестве подложки 1 могут быть использованы любые стандартные подложки (например, кремний, сапфир и пр.). В качестве ферромагнитных материалов слоев 2, 4 - чистые ферромагнетики Ni, Со, Fe или ферромагнитные сплавы на их основе: PtxFe1-x, PtxNi1-x, PtxCo1-x, PdxFe1-x, PdxNi1-x, PdxCo1-x, CuxNi1-x; в качестве слоя 3 нормального металла - Cu, Au, Al, Pt. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 5 - ниобий, нитрид ниобия, либо MgB2 и соединения на его основе, либо высокотемпературные сверхпроводники на основе редкоземельных купратов общей формулы ReBa2Cu3O7-х, где Re - редкоземельный металл, или других оксидов (см., например, US 6011981, Alvarez et al., 04.01.2000), технология нанесения слоев которых на подложках известна. Оценки показывают, что типичные толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла для патентуемой топологии составляют 10-100 нм и находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.As components of the FNF structure suitable for implementing the patented device, materials used in the technology of cryoelectronic materials and known to specialists can be used. For example, any standard substrates (for example, silicon, sapphire, etc.) can be used as substrate 1. As the ferromagnetic materials of layers 2, 4, pure ferromagnets Ni, Co, Fe or ferromagnetic alloys based on them: Pt x Fe 1-x , Pt x Ni 1-x , Pt x Co 1-x , Pd x Fe 1-x , Pd x Ni 1-x , Pd x Co 1-x , Cu x Ni 1-x ; as layer 3 of a normal metal — Cu, Au, Al, Pt. As a material for superconducting electrodes 5 - niobium, niobium nitride, or MgB 2 and compounds based on it, or high-temperature superconductors based on rare-earth cuprates of the general formula ReBa 2 Cu 3 O 7-x , where Re is a rare-earth metal, or other oxides ( see, for example, US 6011981, Alvarez et al., 04/01/2000), the technology of applying layers on substrates is known. Estimates show that typical thicknesses of the layers of ferromagnetic material and normal metal for the patented topology are 10-100 nm and are in the range technologically feasible for thin-film electronics.

Сверхпроводящий прибор функционирует следующим образом. При подаче тока через токоподводы 6 к электродам 5 из сверхпроводника сверхпроводящий ток одновременно протекает по трем независимым каналам FNF-структуры длиной L, образованным слоями 2, 3, 4. При этом происходит перенос инжектированных через одну из боковых граней 7 куперовских пар в противоположный сверхпроводящий электрод 5, что и обеспечивает протекание заданного сверхпроводящего тока через структуру.Superconducting device operates as follows. When current is supplied through the current leads 6 to the electrodes 5 from the superconductor, the superconducting current simultaneously flows through three independent channels of the FNF structure of length L, formed by layers 2, 3, 4. In this case, the Cooper pairs injected through one of the side faces 7 are transferred to the opposite superconducting electrode 5, which ensures the flow of a given superconducting current through the structure.

Обоснование достижения технического результата, а также требования к выбору параметров подложки, материалов слоев, образующих структуру, и физические принципы, лежащие в основе изобретения, поясняются приведенными численными расчетами, результаты которых приведены на фиг.2-6.The rationale for achieving the technical result, as well as the requirements for choosing the parameters of the substrate, the materials of the layers forming the structure, and the physical principles underlying the invention are explained by the numerical calculations, the results of which are shown in Fig.2-6.

На фиг.2, 3 изображена зависимость мнимой (фиг.2) и действительной (фиг.3) частей волнового вектора q3 от величины обменной энергии H2 одного из слоев 2, 4 ферромагнетика при постоянном значении обменной энергии другого ферромагнетика Н1/πТС=30. Зависимость рассчитана в рамках уравнений микроскопической теории сверхпроводимости для нескольких значений параметра z=(ξNF)2=50, 150, 300, 600 и ξNN=4, ξNF=10, Т=0.5TС. Здесь: ТС - критическая температура сверхпроводящих электродов, ξN и ξF - длины проникновения сверхпроводящего состояния из сверхпроводников в нормальный и ферромагнитный материалы соответственно.Figure 2, 3 shows the dependence of the imaginary (figure 2) and real (figure 3) parts of the wave vector q 3 on the value of the exchange energy H 2 of one of the layers 2, 4 of the ferromagnet with a constant value of the exchange energy of another ferromagnet H 1 / πТ C = 30. The dependence was calculated in the framework of the equations of the microscopic theory of superconductivity for several values of the parameter z = (ξ N / ξ F ) 2 = 50, 150, 300, 600 and ξ N / ξ N = 4, ξ N / ξ F = 10, T = 0.5 T C. Here: Т С is the critical temperature of superconducting electrodes, ξ N and ξ F are the penetration lengths of the superconducting state from superconductors into normal and ferromagnetic materials, respectively.

Параметры ξNNN)1/2 и ξFFF)1/2 характеризуют коэффициент связи между F и N слоями. (γFВdfF; γNBdn/γξN; γ=ρNξNFξF; γB=RBA/ρFξF, RB и A - сопротивление и площадь FN-границ, ρN и ρF - удельные сопротивления F и N материалов). Видно, что в случае антипараллельной ориентации намагниченностей F пленок значение Imq3 строго обращается в ноль при H2=-Н1 для всех значений параметров. Положение второй точки на оси Н2, в которой Imq3=0, зависит от параметра z и может находиться как левее, так и правее значения H2=-Н1.The parameters ξ N = ξ NN ) 1/2 and ξ F = ξ FF ) 1/2 characterize the coupling coefficient between F and N layers. (γ F = γ B d f / ξ F ; γ N = γ B d n / γξ N ; γ = ρ N ξ N / ρ F ξ F ; γ B = R B A / ρ F ξ F , R B and A is the resistance and the area of the FN boundaries, ρ N and ρ F are the resistivities F and N of the materials). It can be seen that in the case of the antiparallel orientation of the magnetizations of the F films, the value of Imq 3 strictly vanishes at H 2 = -H 1 for all parameter values. The position of the second point on the H 2 axis, in which Imq 3 = 0, depends on the parameter z and can be either to the left or to the right of the value H 2 = -H 1 .

Полученный результат свидетельствует о том, что изменением направления вектора намагниченности одной из ферромагнитных пленок на противоположное направление можно перейти от режима с осциллирующей зависимостью критического тока IC(L) к режиму, в котором осцилляции отсутствуют полностью. При заданном расстоянии L между сверхпроводниками и заданной температуре такой переход может сопровождаться либо изменением знака IC(L), либо увеличением в несколько раз величины IC(L), либо одновременным проявлением этих двух эффектов. Наличие двух значений H2, при которых имеет место данный эффект, означает, что реализация переключения достигается тремя способами: либо в результате полного перемагничивания одной из пленок (H2=-H1), либо частичного перемагничивания (H2<-H1), либо дополнительного намагничивания в противоположном направлении (H2>-H1).The obtained result indicates that by changing the direction of the magnetization vector of one of the ferromagnetic films to the opposite direction, one can switch from the regime with an oscillating dependence of the critical current I C (L) to the regime in which there are no oscillations completely. For a given distance L between superconductors and a given temperature, such a transition can be accompanied by either a change in the sign of I C (L), a several-fold increase in the value of I C (L), or a simultaneous manifestation of these two effects. The presence of two values of H 2 at which this effect takes place means that the switching is achieved in three ways: either as a result of complete magnetization reversal of one of the films (H 2 = -H 1 ), or partial magnetization reversal (H 2 <-H 1 ) , or additional magnetization in the opposite direction (H 2 > -H 1 ).

На фиг.4 представлены зависимости величины компонент критического тока структуры от расстояния L между электродами 5, рассчитанные численно при Н1/πТС=30, z=(ξNF)2=300, ξNN=4, ξNF=10, Т=0.5ТС, γBFBN=1, и значениях Н2/πТС=30, -10, -30, -78.4 (γBF=RBFAFFξF; γBF=RBNANNξN; RBF-RBN и AFN - сопротивление и площадь SF и SN-граней соответственно). На фиг.5 дана зависимость нормированной части критического тока IC1 рассчитанная для H2/πTC=30 при тех же значениях параметров. Видно, что в рассматриваемом случае компоненты критического тока IC1 и IC2=IC1 оказываются существенно меньше слагаемого IС3 и убывают с ростом L существенно быстрее. Видно также, что в практически интересном случае L>ξN вклад в критический ток от IC1 и IС2 пренебрежимо мал, так что с экспоненциальной степенью точности IС=IС3. Критический ток экспоненциально падает с ростом L и испытывает осцилляции, связанные с переходом структуры из 0 в π состояния на длине порядка (Imq3)-1≈ξN»(Imq1)-1, (Imq2)-1≈ξF. Осцилляции исчезают при Н2=-Н1 и Н2/πТС=-(γF2H1/πTC)-1=-78.4.Figure 4 shows the dependences of the components of the critical current of the structure on the distance L between the electrodes 5, calculated numerically at Н 1 / πТ С = 30, z = (ξ N / ξ F ) 2 = 300, ξ N / ξ N = 4, ξ N / ξ F = 10, Т = 0.5Т С , γ BF / γ BN = 1, and Н 2 / πТ С = 30, -10, -30, -78.4 (γ BF = R BF A F / ρ F ξ F ; γ BF = R BN A N / ρ N ξ N ; R BF -R BN and A F -A N - resistance and area of SF and SN faces, respectively). Figure 5 shows the dependence of the normalized part of the critical current I C1 calculated for H 2 / πT C = 30 for the same parameter values. It can be seen that in the case under consideration, the critical current components I C1 and I C2 = I C1 turn out to be significantly less than the term I C3 and decrease much faster with increasing L. It is also seen that in the practically interesting case L> ξ N, the contribution to the critical current from I C1 and I C2 is negligible, so that with an exponential degree of accuracy I C = I C3 . The critical current decreases exponentially with increasing L and experiences oscillations associated with the transition of the structure from 0 to π states over a length of the order of (Imq 3 ) -1 ≈ξ N ”(Imq 1 ) -1 , (Imq 2 ) -1 ≈ξ F. Oscillations disappear at Н 2 = -Н 1 and Н 2 / πТ С = - (γ F 2 H 1 / πT C ) -1 = -78.4.

Отсюда следуют важные в практическом плане выводы о том, что в данной области параметров при L>ξN как величина, так и знак критического тока структуры с экспоненциальной степенью точности определяются лишь одной компонентой тока IС3. Эта компонента всегда положительна в области малых L<ξN и испытывает затухающие осцилляции с ростом L. Смена знака IС3 происходит при каждом проходе зависимости Ic3(L) через ноль, приводя к чередованию 0 (IC3>0) и π (IС3<0) состояний. Как характерный масштаб затухания (Req3)-1, так и период осцилляции (Imq3)-1 критического тока IС=IС3(L) существенно (на два - три порядка) превосходят аналогичные параметры, достигнутые в SFS, SFSF и SFNS джозефсоновских структурах в геометрии с заданием тока перпендикулярно FN и SF границам (см., например, V.V.Ryazanov, V.A.Oboznov, A.Yu.Rusanov, A.V.Veretennikov, A.A.Golubov, and JAarts, // Phys. Rev. Lett., v.86, 2427 (2001); VA.Oboznov, V.V.Bol'ginov, A.K.Feofanov, V.V.Ryazanov, and A.Buzdin// Phys. Rev. Lett., v.96, 197003 (2006)).This leads to important practical conclusions that in the given parameter range for L> ξ N both the magnitude and sign of the critical current of the structure with an exponential degree of accuracy are determined by only one current component I C3. This component is always positive in the region of small L <ξ N and experiences damped oscillations with increasing L. The sign of I C3 changes each time the dependence I c3 (L) passes through zero, leading to the alternation of 0 (I C3 > 0) and π (I C3 <0) states. Both the characteristic attenuation scale (Req 3 ) -1 and the oscillation period (Imq 3 ) -1 of the critical current I C = I C3 (L) significantly (two to three orders of magnitude) exceed the similar parameters achieved in SFS, SFSF and SFNS Josephson structures in geometry with current perpendicular to the FN and SF boundaries (see, for example, VVRyazanov, VAOboznov, A.Yu. Rusanov, AVVeretennikov, AAGolubov, and JAarts, // Phys. Rev. Lett., v. 86, 2427 ( 2001); VA.Oboznov, VVBol'ginov, AKFeofanov, VVRyazanov, and A. Buzdin // Phys. Rev. Lett., V. 96, 197003 (2006)).

На фиг.6 представлена зависимость нормированной части модуля критического тока |IС3γBNeRBN/2πT| от нормированного значения обменной энергии Н2/πТС при H1/πTC=30, z=(ξNF)=300, ξNN=4, ξNF=10, Т=0.5TC, γBFBN=1, рассчитанная для значений L/ξN=0.1, 2, 3, 4, с коэффициентами сжатия на графике 10, 1, 0.2, 0.01 соответственно. Параметр z=300 выбран таким образом, чтобы период осцилляции критического тока при H21 был минимальным (см. фиг.2).Figure 6 presents the dependence of the normalized part of the critical current module | I C3 γ BN eR BN / 2πT | from the normalized value of the exchange energy Н 2 / πТ С for H 1 / πT C = 30, z = (ξ N / ξ F ) = 300, ξ N / ξ N = 4, ξ N / ξ F = 10, Т = 0.5 T C , γ BF / γ BN = 1, calculated for L / ξ N = 0.1, 2, 3, 4, with compression ratios on the graph of 10, 1, 0.2, 0.01, respectively. The parameter z = 300 is selected so that the critical current oscillation period at H 2 = H 1 is minimal (see figure 2).

Как следует из графика, при L/ξN =0.1 структура всегда находится в 0-состоянии. Поэтому при переключении из Н21 в Н2=-H1 не происходит изменение знака IС3, но наблюдается практически трехкратное увеличение критического тока. При Н21 и L/ξN=1, 2 джозефсоновский переход находится в π-состоянии (см. фиг.4). В этом случае переключение из Н21 в Н2=-Н1 приводит к переходу из π- в 0-состояние. При таком переключении Ic возрастает примерно в 7 раз для L/ξN=1 и в 3 раза для L/ξN=2. Наконец, в случае L/ξN=4 при Н2=H1 система находится в 0-состоянии и переключение из H2=H1 в Н2=-Н1 приводит к трехкратному увеличению критического тока, не сопровождающегося сменой его знака.As follows from the graph, for L / ξ N = 0.1, the structure is always in the 0-state. Therefore, when switching from H 2 = H 1 to H 2 = -H 1 , the sign of I C3 does not change, but an almost triple increase in the critical current is observed. For H 2 = H 1 and L / ξ N = 1, 2, the Josephson transition is in the π state (see Fig. 4). In this case, switching from H 2 = H 1 to H 2 = —H 1 leads to a transition from π to the 0 state. With this switching, I c increases by about 7 times for L / ξ N = 1 and 3 times for L / ξ N = 2. Finally, in the case L / ξ N = 4 for H 2 = H 1, the system is in the 0-state and switching from H 2 = H 1 to H 2 = -H 1 leads to a three-fold increase in the critical current, which is not accompanied by a change in its sign.

Видно, что переход из 0 в π-состояние возможен, если Н2 лежит в диапазоне от 4πTC до 15πTC. При смене знака Н2 с H1 на -Н1 критический ток возрастает примерно в 6 раз. Указанные факты обосновывают возможность управления как величиной, так и знаком критического тока посредством изменения направления намагниченности одной из ферромагнитных пленок структуры на противоположное. Они также свидетельствуют о том, что изменение знака Н2 сопровождается усилением критического тока структуры.It can be seen that the transition from 0 to the π state is possible if H 2 lies in the range from 4πT C to 15πT C. When the sign of H 2 changes from H 1 to -H 1, the critical current increases approximately 6 times. These facts justify the possibility of controlling both the magnitude and sign of the critical current by reversing the direction of the magnetization of one of the ferromagnetic films of the structure. They also indicate that a change in the sign of H 2 is accompanied by an increase in the critical current of the structure.

Приведенные данные показывают, что при переходе от ферромагнитной конфигурации (Н2=H1) к антиферромагнитной геометрии (Н2=-H1) критический ток IС структуры может существенно возрастать, особенно вблизи перехода между "0" и "π" состояниями. Вдали от точек перехода коэффициент усиления может достигать одного порядка, что обусловлено изменением характерной длины спадания критического тока.The data presented show that during the transition from the ferromagnetic configuration (H 2 = H 1 ) to the antiferromagnetic geometry (H 2 = -H 1 ), the critical current I C of the structure can increase significantly, especially near the transition between the “0” and “π” states. Far from the transition points, the gain can reach one order, which is due to a change in the characteristic decay length of the critical current.

Таким образом, в джозефсоновских структурах с топологией S-FNF-S возможно не только эффективное увеличение (по сравнению с SFS топологией) эффективной длины спадания критического тока и периода его осцилляции до длин масштаба ξN, но и управление как величиной, так и знаком IС.Thus, in Josephson structures with the S-FNF-S topology, it is possible not only to effectively increase (compared to the SFS topology) the effective decay length of the critical current and its oscillation period to lengths of the scale ξ N , but also control both the magnitude and the sign I S

Claims (8)

1. Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом, включающий образованную на подложке область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной структуры, связанной с электродами из сверхпроводника, отличающийся тем, что
тонкопленочная структура состоит из слоев ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал,
электроды из сверхпроводника присоединены к противолежащим боковым граням тонкопленочной структуры, причем
направления намагниченности слоев ферромагнитного материала лежат в плоскости тонкопленочной структуры, а сами слои выполнены с возможностью разворота указанных направлений намагниченности относительно друг друга.
1. A superconducting device with a Josephson junction, including a weakly bonded region formed on a substrate in the form of a multilayer thin-film structure connected with electrodes from a superconductor, characterized in that
thin-film structure consists of layers of ferromagnetic material - normal metal - ferromagnetic material,
electrodes from a superconductor are attached to the opposite side faces of the thin film structure, wherein
the directions of magnetization of the layers of the ferromagnetic material lie in the plane of the thin-film structure, and the layers themselves are made with the possibility of reversal of these directions of magnetization relative to each other.
2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что слои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля.2. The device according to claim 1, characterized in that the layers of the ferromagnetic material have different values of the coercive field. 3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе.3. The device according to claim 1, characterized in that niobium or an alloy based on it is used as a superconductor. 4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa2Cu3O7-x , где Re - редкоземельный металл.4. The device according to claim 1, characterized in that the compound of rare-earth cuprates of the general formula ReBa 2 Cu 3 O 7-x , where Re is a rare-earth metal, is used as a superconductor. 5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала использованы Ni, Со, Fe или металлические сплавы на их основе.5. The device according to claim 1, characterized in that Ni, Co, Fe or metal alloys based on them are used as the ferromagnetic material. 6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве нормального металла использован элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.6. The device according to claim 1, characterized in that an element from the group of Cu, Au, Al, Pt is used as a normal metal. 7. Прибор по п.5, отличающийся тем, что толщина слоя ферромагнитного материала составляет 10-100 нм.7. The device according to claim 5, characterized in that the thickness of the layer of ferromagnetic material is 10-100 nm. 8. Прибор по п.6, отличающийся тем, что толщина слоя нормального металла составляет 10-100 нм. 8. The device according to claim 6, characterized in that the thickness of the normal metal layer is 10-100 nm.
RU2007123795/28A 2007-06-26 2007-06-26 Josephson- transition super-conducting device RU2343591C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123795/28A RU2343591C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Josephson- transition super-conducting device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123795/28A RU2343591C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Josephson- transition super-conducting device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2343591C1 true RU2343591C1 (en) 2009-01-10

Family

ID=40374354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007123795/28A RU2343591C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Josephson- transition super-conducting device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2343591C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551421C2 (en) * 2013-08-23 2015-05-27 Георгий Ярославич Кремлёв Perfect conductor (its versions) and method for manufacturing of perfect conductor (its versions)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551421C2 (en) * 2013-08-23 2015-05-27 Георгий Ярославич Кремлёв Perfect conductor (its versions) and method for manufacturing of perfect conductor (its versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20120302446A1 (en) Josephson magnetic switch
Pavlov et al. Fabrication of high-temperature quasi-two-dimensional superconductors at the interface of a ferroelectric Ba 0.8 Sr 0.2 TiO 3 film and an insulating parent compound of La 2 CuO 4
Komori et al. Magnetic exchange fields and domain wall superconductivity at an all-oxide superconductor-ferromagnet insulator interface
RU2554612C2 (en) High-frequency superconducting memory element
Stroud et al. Fabrication of YBa 2 Cu 3 O 7− δ/SrTiO 3/La 0.7 Sr 0.3 MnO 3− δ junctions for the control of supercurrent by spin-polarized quasiparticle current injection
RU2439749C1 (en) Superconducting device with josephson junction
RU2373610C1 (en) Superconducting device with josephson junction
de Andrés Prada et al. Memory-functionality superconductor/ferromagnet/superconductor junctions based on the high-T c cuprate superconductors YBa 2 Cu 3 O 7− x and the colossal magnetoresistive manganite ferromagnets La 2/3 X 1/3 MnO 3+ δ (X= Ca, Sr)
RU2343591C1 (en) Josephson- transition super-conducting device
RU2442245C1 (en) Solar photoelectric submodule
RU2599904C1 (en) METHOD OF MAKING DEVICE WITH SUBMICRON JOSEPHSON π-CONTACT
EP0482198B1 (en) Superconducting tunnel junction element comprising a magnetic oxide material and its use
Uzun et al. Fabrication of high-Tc superconducting multilayer structure with YBa2Cu3O7− x thin films separated by SrTiO3 interlayers
RU2554614C2 (en) Josephson 0-pi switch
JP2644284B2 (en) Superconducting element
RU2601775C2 (en) Josephson magnetic rotary valve
Ovsyannikov et al. YBCO bicrystal junctions on sapphire: d-wave impact and possible applications
JP2585269B2 (en) Superconducting transistor
JPH02391A (en) Superconductive field-effect transistor
Prada et al. YBa2Cu3O7/LaXMnO3 (X: Ca, Sr) based Superconductor/Ferromagnet/Superconductor junctions with memory functionality
JP2583922B2 (en) Superconducting switching element
Kamashev et al. Model of a superconducting spin valve with insulating layers
JP2786827B2 (en) Superconducting element
Bari et al. Conduction mechanisms in c-axis oriented YBCO based trilayer junctions with ferromagnetic A/sub 0.7/B/sub 0.3/MnO/sub 3/manganite barriers
Chanda et al. Energy Efficient Future Generation Electronics Based on Strongly Correlated Electron Systems

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090627

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20100810

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120627

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20130920

PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20141126