RU2373610C1 - Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом - Google Patents

Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом Download PDF

Info

Publication number
RU2373610C1
RU2373610C1 RU2008126532/28A RU2008126532A RU2373610C1 RU 2373610 C1 RU2373610 C1 RU 2373610C1 RU 2008126532/28 A RU2008126532/28 A RU 2008126532/28A RU 2008126532 A RU2008126532 A RU 2008126532A RU 2373610 C1 RU2373610 C1 RU 2373610C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ferromagnetic material
superconducting
layered structure
ferromagnetic
layers
Prior art date
Application number
RU2008126532/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Татьяна Юрьевна Карминская (RU)
Татьяна Юрьевна Карминская
Михаил Юрьевич Куприянов (RU)
Михаил Юрьевич Куприянов
Валерий Владимирович Рязанов (RU)
Валерий Владимирович Рязанов
Original Assignee
Научно-учебное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. 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-учебное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова filed Critical Научно-учебное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Priority to RU2008126532/28A priority Critical patent/RU2373610C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2373610C1 publication Critical patent/RU2373610C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах. Сущность изобретения: в сверхпроводящем приборе с джозефсоновским переходом, включающем область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал, образованной на подложке, электроды из сверхпроводника, присоединенные к противолежащим боковым граням упомянутой слоистой структуры, слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Изобретение направлено на обеспечение эффективного управления критическим током джозефсоновских переходов посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов его протекания, а также вследствие обеспечения условий для генерации слабозатухающего в области слабой связи триплетного типа сверхпроводящего спаривания. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.
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 Ic.
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.
Так, описан СПД, образованный на монокристаллической диэлектрической подложке и имеющий три слоя: два слоя из сверхпроводника YBa2Cu3O7-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. Известен также 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.
Известен 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). В другом изобретении описан 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. Это необходимо для 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).
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.
Задачей изобретения является конструкция СПД, которая 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, а также вследствие обеспечения условий для генерации слабозатухающего в области слабой связи триплетного типа сверхпроводящего спаривания.
Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом включает область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал, образованной на подложке, электроды из сверхпроводника, присоединенные к противолежащим боковым граням упомянутой слоистой структуры. Слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока.
Прибор может характеризоваться тем, что слои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля, а также тем, что в качестве сверхпроводника могут быть использованы ниобий или сплав на его основе или соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa2Cu3O7-х, где Re - редкоземельный металл. В качестве ферромагнитного материала могут быть использованы Ni, Со, Fe или металлические сплавы на их основе, в качестве нормального металла - элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.
Прибор может характеризоваться и тем, что толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла составляют 10-100 нм.
Технический результат изобретения - возможность независимого изменения направлений намагниченности слоев, управления величиной, периодом осцилляции и направлением задания тока через СПД. Это имеет место за счет организации нескольких (более трех) независимых каналов его протекания, отвечающих как синглетному, так и триплетному механизмам сверхпроводящего спаривания. Наличие триплетной компоненты дает возможность существенно упростить контроль за величиной и знаком критического тока за счет увеличения крутизны преобразования изменений критического тока как функции угла поворота векторов намагниченности.
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, а также дополнительное управление величиной и знаком критического тока путем разворота векторов намагниченности ферромагнитных пленок на угол, отличающийся от нуля и π.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где: на фиг.1 представлена конструкция, а на фиг.2-5 - характеристики патентуемого сверхпроводящего прибора с джозефсоновским переходом.
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 выполнены 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.
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. Эти каналы образованы в слоях 2, 3, 4: в слое 3 нормального металла толщиной dN, заключенном между двумя слоями 2, 4 ферромагнитного материала, каждый из которых имеет толщину dF. Боковые грани 7 структуры подсоединены к электродам 5 из сверхпроводника.
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, NdXNi1-x; в качестве слоя 3 нормального металла - Cu, Au, Ag, 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-x, 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.
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 в слоях 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. При угле разориентации α=0 π куперовские пары в FNF области образуют синглетные и триплетные состояния, четные по энергии. При угле разориентации α, отличном от значений 0 и π, помимо описанных выше состояний, образуется дополнительное триплетное состояние, нечетное по энергии. Это дополнительное нечетное по энергии триплетное состояние количественно и качественно меняет характер связи между электродами 5 - дает возможность путем изменения угла α управлять как величиной, так и знаком критического тока.
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.2-5.
На фиг.2 и 3 представлены зависимости действительной и мнимой частей волновых векторов q1,2 от угла α, рассчитанные при ξNN=4 для двух значений обменной энергии h/πTC=30 (сплошная линия для q1 и штриховая для q2) и h/πTC=15 (штрих-пунктирная линия для q1 и пунктирная линия для q2). Здесь
ζN=(RBNABNdNN)1/2, ζF=(RBFABFdFF)1/2, RNB, RBF, ABN, ABF - сопротивления и площади SN и SF границ, ρN, ρF - удельные сопротивления материалов, ξN, ξF - их длины когерентности, TC - критическая температура сверхпроводящих электродов. На вставках даны те же зависимости, вычисленные при h/πTC=30 для двух различных значений ξNN=4 (сплошная линия для q1 и штриховая для q2) и ξNN=2 (штрих-пунктирная линия для q1 и пунктирная линия для q2).
Видно, что зависимости Re(q1,2) и Im(q1,2) симметричны относительно угла α=π. С увеличением угла от α=0 до α=α', где α'=arccos(1+4uF/[h/ξFπTC)2(uF-(uF2+(h/ξFπTC)2)1/2),
uF=(ω/πTCF-2F-2, происходит плавное уменьшение как мнимой, так и действительной частей q1, при этом q2=q1*. Как следует из фиг.3, при α=α' мнимая часть Im(q1,2) обращается в ноль, a q1 и q2 становятся действительными числами. При дальнейшем увеличении α до α=π мнимые части Im(q1,2) сохраняют нулевые значения. Реальная часть q1 увеличивается, достигая в точке α=π локального максимума.
Как следует из фиг.2, в области α'≤α≤2π-α' значения q2 слабо зависят от h. Именно этой компоненте обязана своим существованием область углов α'≤α≤2π-α', в которой Im(q1,2) обращается в ноль. Это подтверждают и проведенные нами расчеты в рамках подхода, не учитывающего существование такой триплетной компоненты. В последнем случае мнимая часть q обращается в ноль строго при α=π, и отсутствует решение, определяющее q2. Таким образом, существование q2 явно свидетельствует о наличии в системе нечетной по энергии триплетной компоненты.
Вставки на фиг.2 и 3 показывают, что с уменьшением прозрачности FN границы, т.е. по мере уменьшения отношения ξNN, область α'≤α≤2π-α', в которой мнимые части q1,2 равны нулю, растет, а q2 стремится к значению для изолированной N пленки. Необходимо отметить, что область, в которой Im(q1,2)=0, также растет с увеличением h.
На фиг.4 представлена зависимость нормированного значения критического тока IC от величины угла α, рассчитанная при h/πTC=30, ξNN=4, ξNF=10, T=0.57 TC, ζN2F2=300 для набора значений расстояния между сверхпроводящими электродами L/ξN=0.5, 1, 2, 4. С целью более удобного сопоставления формы кривых значения IC, рассчитанные для L/ξN=1 и L/ξN=2, были умножены на фактор 3, а значения IC при L/ξN=4 умножены на фактор 20.
Видно, что при L/ξN=0.5 переход находится в 0-состоянии при любом угле разориентации α векторов намагниченности. При L/ξN=1 и α=0 в переходе реализуется π-состояние, а при α=π - 0-состояние. Отметим, что состояние с отрицательным критическим током (π-состояние) сохраняется вплоть до α=2.46, при этом максимум критического тока в π-состоянии достигается не при параллельной ориентации намагниченностей (α=0), а при α=1.62. Тот же характер поведения IC(L) сохраняется и при L/ξN=2. В этом случае π сохраняется вплоть до α=2.95, а максимум критического тока в π состоянии достигается при α=2.45.
При дальнейшем увеличении расстояния L между сверхпроводящими электродами будут появляться дополнительные области 0 и π-состояний между α=0 и α=π (см., например, результат для L/ξN=4 на фиг.4). Рост L сопровождается экспоненциальным уменьшением значений критического тока.
Это обстоятельство иллюстрирует фиг.5, на которой представлена зависимость модуля критического тока |IC(L)| от расстояния между электродами при значениях угла α=0; 2.5; 3; π, рассчитанная при ξNF=10, T=0.5 TC, ξNN=4 и h/πTC=30. При α=π вклад в критический ток от нечетной по энергии триплетной компоненты IC2=0 и критический ток IC (пунктирная кривая) всегда положителен. При α≠π в IC появляется вклад от IC2(L), который отрицателен и убывает с ростом L существенно медленнее, чем составляющая IC1(L), обусловленная синглетной и четной по энергии триплетной компонентами тока. Различие между Re(g1) и Re(q2) в области α'≤α≤2π-α' приводит к тому, что существует лишь одна длина L, начиная с которой в переходе будет реализовываться π состояние, сохраняющееся с дальнейшим ростом L. При α→π длина, при которой происходит переход в π-состояние, стремится к бесконечности.
Наличие "триплетного" π-контакта, образованного в результате конкуренции затухающих на длине порядка ξN синглетных и нечетных по энергии триплетных сверхпроводящих корреляций, позволяет реализовать эффективное управление критическим током S-(FNF)-S спинового вентиля путем разворота векторов намагниченности F пленок из их исходной антиферромагнитной конфигурации на относительно небольшой угол.
Таким образом, в СПД с S-FNF-S топологией имеет место новый тип "триплетного" π-контакта. Он обеспечивает не только значительное увеличение (по сравнению с SFS-топологией) эффективной длины спадания критического тока IC и периода его осцилляции до длин масштаба ξN, но и управление как величиной, так и знаком IC. Последнее дает возможность расширения функциональных возможностей приборов криоэлектроники.

Claims (9)

1. Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом, включающий: область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал, образованной на подложке,
электроды из сверхпроводника, присоединенные к противолежащим боковым граням упомянутой слоистой структуры,
в котором слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности относительно друг друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи.
2. Прибор по п.1, в котором угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока.
3. Прибор по п.1, в котором слои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля.
4. Прибор по п.1, в котором в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе.
5. Прибор по п.1, в котором в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa2Cu3O7-x, где Re - редкоземельный металл.
6. Прибор по п.1, в котором в качестве ферромагнитного материала использованы Ni, Co, Fe или металлические сплавы на их основе.
7. Прибор по п.1, в котором в качестве нормального металла использован элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.
8. Прибор по п.6, в котором толщина слоя ферромагнитного материала составляет 10-100 нм.
9. Прибор по п.7, в котором толщина слоя нормального металла составляет 10-100 нм.
RU2008126532/28A 2008-07-02 2008-07-02 Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом RU2373610C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008126532/28A RU2373610C1 (ru) 2008-07-02 2008-07-02 Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008126532/28A RU2373610C1 (ru) 2008-07-02 2008-07-02 Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2373610C1 true RU2373610C1 (ru) 2009-11-20

Family

ID=41478014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008126532/28A RU2373610C1 (ru) 2008-07-02 2008-07-02 Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2373610C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2945160A1 (fr) * 2014-05-15 2015-11-18 Thales Composant électronique à jonction josephson
RU2598405C1 (ru) * 2015-07-22 2016-09-27 ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой
RU2601775C2 (ru) * 2015-03-02 2016-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Джозефсоновский магнитный поворотный вентиль

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2945160A1 (fr) * 2014-05-15 2015-11-18 Thales Composant électronique à jonction josephson
FR3021163A1 (fr) * 2014-05-15 2015-11-20 Thales Sa Composant electronique a jonction josephson
RU2601775C2 (ru) * 2015-03-02 2016-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Джозефсоновский магнитный поворотный вентиль
RU2598405C1 (ru) * 2015-07-22 2016-09-27 ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR910002311B1 (ko) 초전도 디바이스
US20120302446A1 (en) Josephson magnetic switch
US8055318B1 (en) Superconducting integrated circuit technology using iron-arsenic compounds
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
JPH05160449A (ja) ジョセフソン接合構造
Koren Magnetic proximity effect of a topological insulator and a ferromagnet in thin-film bilayers of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 and SrRuO 3
RU2373610C1 (ru) Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом
WO2007094146A1 (ja) 超電導薄膜材料の製造方法、超電導機器、および超電導薄膜材料
RU2439749C1 (ru) Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом
RU2554612C2 (ru) Высокочастотный сверхпроводящий элемент памяти
JP2674680B2 (ja) 超伝導超格子結晶デバイス
RU2343591C1 (ru) Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом
RU2442245C1 (ru) Сверхпроводниковый спиновый вентиль
RU2599904C1 (ru) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА С СУБМИКРОННЫМ ДЖОЗЕФСОНОВСКИМ π-КОНТАКТОМ
EP0482198B1 (en) Superconducting tunnel junction element comprising a magnetic oxide material and its use
KR101234870B1 (ko) 반도체-초전도체 전이 트랜지스터
RU2554614C2 (ru) Джозефсоновский 0-пи переключатель
JP2644284B2 (ja) 超電導素子
Kikuta et al. Electric field enhancement of the superconducting spin-valve effect via strain-transfer across a ferromagnetic/ferroelectric interface
JPH02391A (ja) 超電導電界効果トランジスタ
JP2786827B2 (ja) 超電導素子
JP2679610B2 (ja) 超電導素子の製造方法
JP2867956B2 (ja) 超電導トランジスタ
JPH03274775A (ja) 超伝導素子
JP2829173B2 (ja) 超電導素子

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20141126