RU2439749C1 - Superconducting device with josephson junction - Google Patents
Superconducting device with josephson junction Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439749C1 RU2439749C1 RU2010143298/28A RU2010143298A RU2439749C1 RU 2439749 C1 RU2439749 C1 RU 2439749C1 RU 2010143298/28 A RU2010143298/28 A RU 2010143298/28A RU 2010143298 A RU2010143298 A RU 2010143298A RU 2439749 C1 RU2439749 C1 RU 2439749C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- superconducting
- ferromagnetic material
- normal metal
- electrodes
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
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). 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.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. 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 YВа2Сu3O7-х (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.For example, an SPD is described, which is formed on a single-crystal dielectric substrate and has three layers: two layers of YBA 2 Cu 3 O 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. Also 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 film from the antiferromagnetic substance inside the device that is not in areas of 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 СПД, предназначенный для управления потоком электронов и имеющий многослойную структуру «сверхпроводник S - нормальный металл N - сверхпроводник S» 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).Known SPD, designed to control the flow of electrons and having a multilayer structure "superconductor S - normal metal N - superconductor S" and not using dielectric barrier layers (US 6995390, Tsukui, 02/07/2006). Another invention describes an SPD designed to control the critical current of five-layer double-barrier Josephson junctions in which the material inside the barriers contains a ferromagnetic film. Its purpose is to provide Zeeman splitting of the resonant levels of electrons in the intra-barrier region. This is necessary 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).
Известно СПД устройство на джозефсоновском переходе (US 20090233798 A1, Maeda, 17.09.2009), которое состоит из сверхпроводникового слоя, размещенного на подложке, поверх которого нанесен слой ферромагнитного материала, который может быть электропроводным и нанесен на изолирующий слой. Однако данное устройство имеет малый масштаб проникновения сверхпроводящих корреляций и в нем не предусмотрена возможность управления критическим током посредством внешнего магнитного поля.A SPD device at the Josephson junction is known (US 20090233798 A1, Maeda, September 17, 2009), which consists of a superconducting layer placed on a substrate over which a layer of ferromagnetic material is deposited, which can be electrically conductive and applied to the insulating layer. However, this device has a small scale of penetration of superconducting correlations and it does not provide the ability to control the critical current through an external magnetic field.
Известен СПД (RU 2343591 С1, Карминская и др., 10.01.2009), в котором на подложке образована область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной FNF-структуры, связанной с электродами из сверхпроводника S. Тонкопленочная структура выполнена из слоев F ферромагнитного материала с направлениями намагниченности, лежащими в плоскости структуры, между которыми размещен слой N нормального металла. Слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние. Электроды из сверхпроводника присоединены к противолежащим боковым граням FNF-структуры, что обеспечивает более эффективное управление критическим током СПД посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов его протекания.Known SPD (RU 2343591 C1, Karminskaya et al., January 10, 2009), in which a weak-bonding region is formed in the form of a multilayer thin-film FNF structure bonded to electrodes from superconductor S. The thin-film structure is made of layers F of ferromagnetic material with directions magnetizations lying in the plane of the structure, between which a layer N of a normal metal is placed. The layers of the ferromagnetic material are arranged to rotate the magnetization vectors relative to each other in the plane of the layered structure from the antiferromagnetic to the ferromagnetic state. Electrodes from the superconductor are attached to the opposite side faces of the FNF structure, which provides more efficient control of the critical current of the SPD through an external magnetic field due to the organization of a number of independent channels of its flow.
В другом изобретении (RU 2373610 С1, Карминская и др., 20.11.2009 - ближайший аналог) СПД включает область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры «FNF», образованной на подложке, и электроды из сверхпроводника S, присоединенные к противолежащим боковым граням слоистой структуры. Слои F выполнены с возможностью разворота указанных направлений намагниченности друг относительно друга с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Указанное позволяет управлять критическим током СПД 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.In another invention (RU 2373610 C1, Karminskaya et al., November 20, 2009 — closest analogue), the SPD includes a weak-bonding region in the form of a thin-film “FNF” layered structure formed on a substrate and superconductor electrodes S attached to opposite side faces of the layered structure. The layers F are made with the possibility of reversal of the indicated directions of magnetization relative to each other with the provision of generation of the triplet type of superconducting pairing in the field of weak coupling. The above allows controlling the critical current of the SPD through an external magnetic field due to the organization of a number of independent channels of its flow, as well as due to the provision of conditions for the generation of a weakly damped triplet type of superconducting pairing.
Однако, в этом устройстве торцевая геометрия джозефсоновских переходов не позволяет достичь существенно больших значений критического тока и не приводит к возникновению единичного 0-pi перехода с изменением длины области инжектирования куперовских пар.However, in this device, the end geometry of the Josephson junctions does not allow reaching substantially large critical currents and does not lead to a single 0-pi transition with a change in the length of the injection region of Cooper pairs.
Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом включает образованную на подложке область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей слои ферромагнитного материала и нормального металла, и два электрода из сверхпроводникового материала с токоподводами для подключения области слабой связи к источнику тока и представляет собой планарную структуру, в которой электроды из сверхпроводникового материала с токоподводами размещены поверх слоя нормального металла с возможностью наведения сверхпроводящих корреляций из области нормального металла под электродом в область слабой связи, при этом слой ферромагнитного материала присоединен к нормальному металлу с возможностью наведения в нем сверхпроводящих корреляций непосредственно из слоя нормального металла.A superconducting device with a Josephson junction includes a weak-bonding region formed on a substrate in the form of a thin-film layered structure containing layers of a ferromagnetic material and a normal metal, and two electrodes of a superconducting material with current leads to connect the weak-bonding region to a current source and is a planar structure in which electrodes made of a superconducting material with current leads are placed on top of a normal metal layer with the possibility of pointing superconducting correlations of normal metal region tions under the electrode in the weak communication area, wherein the layer of ferromagnetic material attached to a normal metal, with guidance therein correlations directly from the superconducting normal metal layers.
Прибор может характеризоваться тем, что слой ферромагнитного материала нанесен на подложку, а слой нормального металла размещен поверх него, при этом площади упомянутых слоев совпадают.The device can be characterized in that a layer of ferromagnetic material is deposited on a substrate, and a layer of normal metal is placed on top of it, while the areas of said layers coincide.
Прибор может характеризоваться и тем, что слой нормального металла нанесен на подложку, а слой ферромагнитного материала нанесен на поверхность упомянутого слоя нормального металла между электродами из сверхпроводникового материала.The device can also be characterized by the fact that a layer of normal metal is deposited on a substrate, and a layer of ferromagnetic material is deposited on the surface of said layer of normal metal between electrodes of a superconducting material.
Прибор может характеризоваться также тем, что слой ферромагнитного материала размещен между слоем нормального металла и подложкой в областях под электродами из сверхпроводникового материала.The device can also be characterized in that a layer of ferromagnetic material is placed between the normal metal layer and the substrate in the regions under the electrodes of the superconducting material.
Прибор может характеризоваться также и тем, что слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, при этом первый подслой слоя ферромагнитного материала нанесен на подложку, слой нормального металла размещен поверх него, а второй подслой ферромагнитного материала размещен на поверхности слоя нормального металла между электродами из сверхпроводникового материала.The device can also be characterized by the fact that the layer of ferromagnetic material is formed by the first and second sublayers of the ferromagnetic material, interacting with each other with the possibility of rotation of the magnetization vectors relative to each other in the plane of the layered structure to ensure the generation of the triplet type of superconducting pairing in the weak coupling region, while the first sublayer a layer of ferromagnetic material is deposited on a substrate, a layer of normal metal is placed on top of it, and a second sublayer of a ferromagnetic material Ala is placed on the surface of a normal metal layer between electrodes of a superconducting material.
Прибор может характеризоваться, кроме того, тем, что слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, при этом первый подслой ферромагнитного материала размещен на поверхности слоя нормального металла между электродами из сверхпроводникового материала, а второй подслой слоя ферромагнитного материала размещен на подложке под первым подслоем по другую сторону слоя нормального металла, при этом площади подслоев ферромагнитного материала совпадают.The device can be characterized, in addition, by the fact that the layer of ferromagnetic material is formed by the first and second sublayers of the ferromagnetic material, interacting with each other with the possibility of rotation of the magnetization vectors relative to each other in the plane of the layered structure with the generation of a triplet type of superconducting pairing in the weak coupling region, while the first sublayer of the ferromagnetic material is placed on the surface of the normal metal layer between the electrodes of the superconducting material, and the second second sublayer of ferromagnetic material layer disposed on the substrate at a first sublayer on the other side of the normal metal layer, wherein the area of the sublayers of ferromagnetic material coincide.
Прибор может характеризоваться и тем, что слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, при этом слой нормального металла размещен на подложке, первый и второй подслои нанесены один на другой и размещены между электродами из сверхпроводникового материала на поверхности слоя нормального металла.The device can also be characterized by the fact that the layer of ferromagnetic material is formed by the first and second sublayers of ferromagnetic material, interacting with each other with the possibility of rotation of the magnetization vectors relative to each other in the plane of the layered structure, ensuring the generation of a triplet type of superconducting pairing in the weak coupling region, while the normal metal layer placed on a substrate, the first and second sublayers are deposited one on top of the other and placed between the electrodes of the superconducting material n the surface layer of normal metal.
Прибор может характеризоваться, кроме того, тем, что угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока, а также тем, что подслои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля.The device can also be characterized by the fact that the angle of rotation of the magnetization vectors is in the range of values at which the maximum magnitude of the superconducting current is achieved, as well as the fact that the sublayers of the ferromagnetic material have different values of the coercive field.
Прибор может характеризоваться и тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе, и также тем, что в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы RеВа2Сu3O7-х, где Re - редкоземельный металл, а в качестве ферромагнитного материала использованы Ni, Co, Fe или металлические сплавы на их основе.The device can be characterized by the fact that niobium or an alloy based on it is used as a superconductor, and also by the fact that a rare-earth cuprate compound of the general formula ReBa 2 Cu 3 O 7-x is used as a superconductor, where Re is a rare-earth metal, and as The ferromagnetic material used is Ni, Co, Fe or metal alloys based on them.
Прибор может характеризоваться также тем, что в качестве нормального металла использован элемент из группы Сu, Аu, Al, Pt, толщина слоя ферромагнитного материала составляет 10-100 нм, и тем, что толщина слоя нормального металла составляет 10-100 нм.The device can also be characterized by the fact that an element from the group Cu, Au, Al, Pt is used as a normal metal, the layer thickness of the ferromagnetic material is 10-100 nm, and the layer thickness of the normal metal is 10-100 nm.
Технический результат изобретения состоит в увеличении амплитуды критического тока перехода по сравнению с предыдущими геометриями и при определенных значениях длины границы контакта сверхпроводник - нормальный металл, а также в возникновении единичного 0-pi перехода с изменением длины области сверхпроводник -нормальный металл. Дополнительный технический результат состоит в возможности более эффективного управления величиной критического тока в случае наличия в структуре двух ферромагнитных слоев с разными направлениями намагниченности. Кроме того, предлагается использование более простой технологии планарных многослойных структур по сравнению с описанным в прототипе торцевым переходом.The technical result of the invention consists in increasing the amplitude of the critical current of the transition compared to previous geometries and for certain values of the contact length of the superconductor – normal metal, as well as the occurrence of a single 0-pi transition with a change in the length of the superconductor – normal metal region. An additional technical result consists in the possibility of more efficient control of the critical current in the case of the presence of two ferromagnetic layers in the structure with different directions of magnetization. In addition, it is proposed to use a simpler technology of planar multilayer structures in comparison with the end transition described in the prototype.
Сущность изобретения поясняется на фигурах, где на:The invention is illustrated in the figures, where:
фиг.1-3 показана структура СПД с планарным расположением слоев нормального металла и ферромагнитного материала;1-3 show the structure of the SPD with a planar arrangement of layers of normal metal and ferromagnetic material;
фиг.4-6 - то же, но с двумя слоями ферромагнитного материала;4-6 - the same, but with two layers of ferromagnetic material;
фиг.7 - зависимость абсолютной величины нормированных значений критических токов патентуемых структур как функции расстояния между электродами;7 is a dependence of the absolute value of the normalized values of the critical currents of patented structures as a function of the distance between the electrodes;
фиг.8 - фазовая диаграмма для структуры, показанной на фиг.3, при нескольких значениях толщины ферромагнитного слоя;Fig.8 is a phase diagram for the structure shown in Fig.3, with several values of the thickness of the ferromagnetic layer;
фиг.9 - фазовая диаграмма для SN-FN-NS структуры, показанной на фиг.2;Fig.9 is a phase diagram for SN-FN-NS structure shown in Fig.2;
фиг.10 - фазовая диаграмма для SNF-FN-FNS структуры, показанной на фиг.1;figure 10 is a phase diagram for SNF-FN-FNS structure shown in figure 1;
фиг.11 - зависимость амплитуды критического тока от нормированной длины d SN границы для патентуемых структур.11 - dependence of the amplitude of the critical current on the normalized length d SN border for patentable structures.
Сверхпроводящий прибор (см. фиг.1-3) образован на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из слоя 2 ферромагнитного материала F, слоя 3 нормального металла N, электродов 4 из сверхпроводникового материала S размером d с токоподводами 5 для подключения области слабой связи к источнику тока. Толщины слоев 2 ферромагнитного материала (Ni, Co, Fe или металлические сплавы на их основе) и нормального металла, в качестве которого может быть использован элемент из группы Сu, Аu, Al, Pt, составляют 10-100 нм. В качестве электродов 4 из сверхпроводникового материала могут быть использованы, например, ниобий, ванадий, индий, олово, свинец или сплав на основе этих металлов, соединение редкоземельных купратов общей формулы RеВа2Сu3O7-х, где Re - редкоземельный металл.The superconducting device (see Figs. 1-3) is formed on the
На фиг.2-3 показаны варианты размещения слоя ферромагнитного материала. Слой 21 ферромагнитного материала может быть размещен между электродами 4 из сверхпроводникового материала на свободной поверхности слоя 3 нормального металла. Слои 22 и 23 ферромагнитного материала могут быть размещены между слоем 3 нормального металла и подложкой 1 в областях под электродами 4 из сверхпроводникового материала.Figure 2-3 shows the placement of a layer of ferromagnetic material. The
На фиг.4-6 показаны варианты выполнения ферромагнитного материала из двух подслоев F1, F2 ферромагнитного материала толщинами dF1 и dF2, соответственно. Подслои выполнены взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры, с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи.Figure 4-6 shows embodiments of a ferromagnetic material from two sublayers F1, F2 of a ferromagnetic material with thicknesses d F1 and d F2 , respectively. The sublayers are made interacting with each other with the possibility of rotation of the magnetization vectors relative to each other in the plane of the layered structure, with the provision of the generation of the triplet type of superconducting pairing in the weak coupling region.
Подслои ферромагнитного материала выполняются монодоменными, технология изготовления их известна. Подслои 24, 25 (фиг.4), 24, 26 (фиг.5) и 24, 27 (фиг.6) ферромагнитного материала должны обладать различающимися величинами коэрцитивных полей, что позволяет разворачивать направления намагниченности в указанных слоях относительно друг друга. Это может быть обеспечено, например, выполнением указанных слоев с несколько различающимися толщинами (~30%) или шириной пленки, а также выбором материала подложки 1 или нормального металла в слое 3.Sublayers of ferromagnetic material are single-domain, their manufacturing technology is known. The
Первый подслой 24 ферромагнитного материала (фиг.4) размещен на свободной поверхности слоя 3 нормального металла между электродами 4 из сверхпроводникового материала, а второй подслой 25 - между слоем 3 нормального металла толщиной dN и подложкой 1.The
В другом варианте (фиг.5) второй подслой 26 ферромагнитного материала имеет размер (площадь) первого подслоя 24 и размещен под ним.In another embodiment (FIG. 5), the
На фиг.6 показана конструкция, когда первый 24 и второй подслои 27 нанесены один на другой и размещены на свободной поверхности слоя 3 нормального металла N между электродами 4 из сверхпроводникового материала S. Толщина верхней ферромагнитной пленки F может быть произвольной, толщина нижней - не должна превосходить длины когерентности в нормальном металле для обеспечения незатухающе малой величины триплетных сверхпроводящих корреляций на границе ферромагнитных подслоев 24, 27.Figure 6 shows the design when the first 24 and
Прибор функционирует следующим образом. При подаче тока через токоподводы 5 к электродам 4 из сверхпроводникового материала сверхпроводящий ток наводится в слое нормального металла, расположенном непосредственно под сверхпроводящим электродом. Затем, из области нормального металла, расположенного под сверхпроводящим электродом, сверхпроводящие корреляции (сверхпроводящие состояния) наводятся в комплексной многослойной области слабой связи.The device operates as follows. When current is supplied through current leads 5 to
Если слой ферромагнитного материала образован первым и вторым подслоями ферромагнитного материала, взаимодействующими между собой с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи, предложенная геометрия, в которой сверхпроводящий электрод находится поверх слоя нормального металла, позволяет повысить эффективность управления величиной критического тока посредством разворота векторов намагничивания и генерации в структуре триплетных корреляций за счет увеличения его амплитуды.If the layer of ferromagnetic material is formed by the first and second sublayers of ferromagnetic material, interacting with each other with the possibility of rotation of the magnetization vectors relative to each other in the plane of the layered structure to ensure the generation of the triplet type of superconducting pairing in the weak coupling region, the proposed geometry, in which the superconducting electrode is on top of the normal layer metal, allows to increase the efficiency of control of the critical current value by turning the vecto s magnetization and generate a triplet structure correlations by increasing its amplitude.
На фиг.7 изображена зависимость абсолютной величины нормированных значений критических токов структур: SNF-FN-FNS (фиг.1), SN-FN-NS (фиг.2), SNF-N-FNS (фиг.3), как функция расстояния между электродами. По величине критических токов, вдали от точек 0-pi переходов, структуры располагаются в следующем порядке: SN-FN-NS, SNF-N-FNS и SNF-FN-FNS. Такой порядок обусловлен последовательным увеличением подавления сверхпроводимости со стороны F пленки. В SN-FN-NS структурах сверхпроводящие корреляции подавлены F пленкой только в области слабой связи, таким образом обеспечивая большие величины критического тока. В SNF-N-FNS структурах (фиг.3) критический ток меньше, чем в SN-FN-NS структурах из-за подавления сверхпроводимости в области под электродами. В SNF-FN-FNS структурах имеется подавление сверхпроводимости во всех частях структуры. Физическая причина этого факта состоит в том, что малая толщина 10-100 нм пленки нормального металла приводит к эффективному увеличению сверхпроводимости на границе комплексного SN электрода и области слабой связи по сравнению с величиной сверхпроводящих корреляций на SN границе для торцевой геометрии сверхпроводниковых структур, описанной в ближайшем аналоге (RU 2373610). В SNF-N-FNS-структуре критический ток при данных параметрах имеет отрицательное значение и затухает с увеличением расстояния между электродами без осцилляций.Figure 7 shows the dependence of the absolute value of the normalized values of the critical currents of the structures: SNF-FN-FNS (figure 1), SN-FN-NS (figure 2), SNF-N-FNS (figure 3), as a function of distance between the electrodes. By the value of critical currents, far from the points of 0-pi junctions, the structures are arranged in the following order: SN-FN-NS, SNF-N-FNS and SNF-FN-FNS. This order is due to a sequential increase in the suppression of superconductivity from the F side of the film. In SN-FN-NS structures, superconducting correlations are suppressed by the F film only in the weak-binding region, thus providing large critical currents. In SNF-N-FNS structures (Fig. 3), the critical current is less than in SN-FN-NS structures due to suppression of superconductivity in the region under the electrodes. In SNF-FN-FNS structures, there is suppression of superconductivity in all parts of the structure. The physical reason for this fact is that a small thickness of 10-100 nm of a normal metal film leads to an effective increase in superconductivity at the boundary of the complex SN electrode and the weak coupling region compared with the magnitude of superconducting correlations at the SN boundary for the end geometry of superconducting structures described in the nearest analogue (RU 2373610). In the SNF-N-FNS structure, the critical current for these parameters has a negative value and decays with increasing distance between the electrodes without oscillations.
Длина когерентности FN части SN-FN-NS и SNF-FN-NFS структур комплексна, что приводит к затухающим осцилляциям критического тока как функции расстояния L между сверхпроводящими электродами 4. Период этих осцилляций и их масштаб затухания одинаковы для всех этих структур и обусловлены только свойствами FN области слабой связи. Однако начальные условия для этих осцилляций на границе с областью слабой связи различны, что обуславливает сдвиг этих осцилляций вдоль оси структуры.The coherence length FN of the SN-FN-NS and SNF-FN-NFS structures is complex, which leads to decaying oscillations of the critical current as a function of the distance L between the
На фазовых (d, L) диаграммах линиями обозначено положение нуля критического тока. Эти линии разделяют области с отрицательным и положительным знаком критического тока (0 и pi состояния).On phase (d, L) diagrams, the lines indicate the zero position of the critical current. These lines separate regions with a negative and a positive sign of the critical current (0 and pi states).
На фиг.8 приведена фазовая диаграмма для SNF-N-FNS структуры (фиг.3) при нескольких значениях толщины dF слоя 22, 23 ферромагнитного материала. Для такой геометрии структуры в области слабой связи между комплексными SNF электродами 4 находится только пленка 3 нормального металла. Длина когерентности в пленке 3 нормального металла является действительной величиной, поэтому для такой структуры критический ток не испытывает осцилляций. Однако вычисления показывают, что в такой структуре возможен единичный 0-pi переход. Существование только одиночного перехода может быть объяснено следующим образом. Осцилляции конденсатной функции существуют только под комплексным SNF электродом, поэтому знак критического тока обусловлен величиной конденсатной функции на границе нормальной пленки и комплексного электрода. Так как величину конденсатной функции определяют два комплексных коэффициента, то они могут привести только к двум возможным областям знака критического тока, т.е. к одной линии на фазовой диаграмме. В зависимости от параметров структуры с увеличением расстояния L между сверхпроводящими электродами и с увеличением длины d SN границы, критический ток может изменять знак один раз или не изменять его вовсе.Fig. 8 shows a phase diagram for the SNF-N-FNS structure (Fig. 3) at several thicknesses d F of the layer 22, 23 of the ferromagnetic material. For such a geometry of the structure, in the region of weak coupling between the
Как видно из фиг.8, положение контурной линии немонотонно зависит от толщины ферромагнитной пленки. При нулевой толщине dF пленки в структуре реализуется только состояние с положительным знаком критического тока для любых остальных параметров. При увеличении толщины dF ферромагнитной пленки кривая сначала смещается к левому нижнему углу фазовой диаграммы, а затем поворачивает обратно и при некотором критическом значении толщины ферромагнитной пленки уходит в бесконечность. Таким образом, в структуре начинает реализовываться только состояние с положительным значением критического тока при дальнейшем увеличении толщины ферромагнитного слоя.As can be seen from Fig. 8, the position of the contour line nonmonotonically depends on the thickness of the ferromagnetic film. At zero film thickness d F , only the state with a positive sign of the critical current for any other parameters is realized in the structure. As the thickness d F of the ferromagnetic film increases, the curve first shifts to the lower left corner of the phase diagram, and then turns back and, at a certain critical value of the thickness of the ferromagnetic film, goes to infinity. Thus, only the state with a positive value of the critical current begins to be realized in the structure with a further increase in the thickness of the ferromagnetic layer.
На фиг.9 приведена фазовая диаграмма для SN-FN-NS структуры, показанной на фиг.2. Поскольку в комплексном электроде (поз.4 и 3) отсутствует ферромагнитная пленка, поэтому 0-pi переходы реализуются вследствие комплексной длины когерентности в области слабой связи NF, которая присоединена к комплексным электродам. Поэтому в структуре наблюдаются множественные 0-pi переходы с увеличением расстояния L между электродами 4 и единичный 0-pi переход при увеличении длины d SN границы. В зависимости от длины SN границы контурные линии выглядят практически вертикальными, демонстрируя, таким образом, слабую зависимость положения 0-pi перехода от длины d SN границы.FIG. 9 is a phase diagram for the SN-FN-NS structure shown in FIG. 2. Since there is no ferromagnetic film in the complex electrode (
На фиг.10 представлена фазовая диаграмма для SNF-FN-FNS структуры (фиг.1). В этих структурах длина когерентности комплексна как в области комплексных электродов размером d, так и в области слабой связи на длине L. Проявление 0-pi переходов в этом случае сильно зависит от сшивки осцилляций на SNF и NF границах. В результате этого контурные линии не столь вертикальны, как в предыдущем случае, а обнаруживают сильную зависимость от длины d SN границы.FIG. 10 is a phase diagram for an SNF-FN-FNS structure (FIG. 1). In these structures, the coherence length is complex both in the region of complex electrodes of size d and in the region of weak coupling on the length L. The manifestation of 0-pi transitions in this case strongly depends on the crosslinking of the oscillations at the SNF and NF boundaries. As a result of this, the contour lines are not as vertical as in the previous case, but exhibit a strong dependence on the length d SN of the boundary.
На фиг.11 показана зависимость амплитуды критического тока от нормированной длины d/ξN (где ξN - длина проникновения сверхпроводящего состояния из сверхпроводника в нормальный металл) SN границы для патентуемых структур: (а) для структуры SNF-FN-FNS, представленной на фиг.1; (b) для структуры SN-FN-NS - фиг.2; (с) для структуры SNF-N-FNS - фиг.3. Из графика видно, что с увеличением длины d SN границы критический ток может изменять знак. Величина же критического тока имеет максимум необязательно при бесконечно большом d. Так, для SNF-N-NFS структур при d/ξN=0.5 величина критического тока в 50 раз больше, чем на бесконечности. Указанное дает возможность в патентуемой структуре получить большее значение критического тока при меньшей площади SN границы.11 shows the dependence of the critical current amplitude on the normalized length d / ξ N (where ξ N is the penetration length of the superconducting state from the superconductor into the normal metal) SN boundaries for patented structures: (a) for the SNF-FN-FNS structure shown in figure 1; (b) for the structure of SN-FN-NS - figure 2; (c) for the structure of SNF-N-FNS - figure 3. The graph shows that with an increase in the length d SN of the boundary, the critical current can change sign. The magnitude of the critical current has a maximum optionally at infinitely large d. So, for SNF-N-NFS structures with d / ξ N = 0.5, the critical current is 50 times larger than at infinity. The above makes it possible in the patented structure to obtain a larger critical current value with a smaller area of the SN boundary.
Из приведенных данных видно, что изобретение позволяет достичь существенно больших значений критического тока, что, однако, не приводит к возникновению единичного 0-pi перехода с изменением длины области инжектирования куперовских пар.From the above data it can be seen that the invention allows to achieve significantly higher critical current values, which, however, does not lead to a single 0-pi transition with a change in the length of the injection region of Cooper pairs.
Промышленная применимость. В качестве элементов, 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 - чистые ферромагнетики Ni, Co, 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 нормального металла - Cu, Au, Ag, Al, Pt. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 4 - ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец либо MgB2 и соединения на его основе, либо высокотемпературные сверхпроводники на основе редкоземельных купратов общей формулы RеВа2Сu3О7-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. Типичные толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла для патентуемой топологии составляют 10-100 нм и находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.Industrial applicability. As elements 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
Claims (15)
представляет собой планарную структуру, в которой электроды из сверхпроводникового материала с токоподводами размещены поверх слоя нормального металла с возможностью наведения сверхпроводящих корреляций из области нормального металла под электродом в область слабой связи, при этом слой ферромагнитного материала присоединен к нормальному металлу с возможностью наведения в нем сверхпроводящих корреляций непосредственно из слоя нормального металла.1. A superconducting device with a Josephson junction, including a weak-bonding region formed on a substrate in the form of a thin-film layered structure containing layers of a ferromagnetic material and a normal metal, and two electrodes of a superconducting material with current leads for connecting the weak-bonding region to a current source, characterized in that
represents a planar structure in which electrodes of a superconducting material with current leads are placed on top of a normal metal layer with the possibility of inducing superconducting correlations from the normal metal region under the electrode to a weakly bonded region, while the layer of ferromagnetic material is attached to the normal metal with the possibility of superconducting correlations in it directly from a normal metal layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010143298/28A RU2439749C1 (en) | 2010-10-25 | 2010-10-25 | Superconducting device with josephson junction |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010143298/28A RU2439749C1 (en) | 2010-10-25 | 2010-10-25 | Superconducting device with josephson junction |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2439749C1 true RU2439749C1 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784318
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010143298/28A RU2439749C1 (en) | 2010-10-25 | 2010-10-25 | Superconducting device with josephson junction |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2439749C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504049C2 (en) * | 2012-04-17 | 2014-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" | Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing |
RU2601775C2 (en) * | 2015-03-02 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Josephson magnetic rotary valve |
RU2620027C1 (en) * | 2016-04-22 | 2017-05-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Josephson phase blast valve (versions) |
RU2696831C1 (en) * | 2018-10-03 | 2019-08-06 | Владимир Дмитриевич Шкилев | Superconducting energy storage device |
-
2010
- 2010-10-25 RU RU2010143298/28A patent/RU2439749C1/en active IP Right Revival
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504049C2 (en) * | 2012-04-17 | 2014-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" | Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing |
RU2601775C2 (en) * | 2015-03-02 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Josephson magnetic rotary valve |
RU2620027C1 (en) * | 2016-04-22 | 2017-05-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Josephson phase blast valve (versions) |
RU2696831C1 (en) * | 2018-10-03 | 2019-08-06 | Владимир Дмитриевич Шкилев | Superconducting energy storage device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8588875B2 (en) | Superconducting fault current-limiter with variable shunt impedance | |
US20120302446A1 (en) | Josephson magnetic switch | |
WO2008100281A3 (en) | High temperature superconductors having planar magnetic flux pinning centers and methods for making the same | |
Nevirkovets et al. | Memory cell for high-density arrays based on a multiterminal superconducting-ferromagnetic device | |
US10326069B2 (en) | Thermoelectric conversion element and method for making the same | |
RU2439749C1 (en) | Superconducting device with josephson junction | |
RU2554612C2 (en) | High-frequency superconducting memory element | |
CN105702849B (en) | Stepped area is covered with superconducting circuit structure of superconduction coating and preparation method thereof | |
RU2620027C1 (en) | Josephson phase blast valve (versions) | |
JP2749048B2 (en) | Superconducting quantum interferometer | |
RU2373610C1 (en) | Superconducting device with josephson junction | |
RU2442245C1 (en) | Solar photoelectric submodule | |
US3564351A (en) | Supercurrent devices | |
JPS63318014A (en) | Superconductive film of metal oxide | |
RU2601775C2 (en) | Josephson magnetic rotary valve | |
RU2554614C2 (en) | Josephson 0-pi switch | |
WO2002039509A3 (en) | Hybrid oxide heterostructures and devices | |
RU2343591C1 (en) | Josephson- transition super-conducting device | |
EP0482198B1 (en) | Superconducting tunnel junction element comprising a magnetic oxide material and its use | |
Jia et al. | Directly coupled direct current superconducting quantum interference device magnetometers based on ramp-edge Ag: YBa 2 Cu 3 O 7− x/PrBa 2 Cu 3 O 7− x/Ag: YBa 2 Cu 3 O 7− x junctions | |
JP2644284B2 (en) | Superconducting element | |
Sandberg et al. | Superconducting quantum interference phenomenon in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ single crystals | |
JPH03274775A (en) | Superconducting element | |
JPH02391A (en) | Superconductive field-effect transistor | |
Kikuta et al. | Electric field enhancement of the superconducting spin-valve effect via strain-transfer across a ferromagnetic/ferroelectric interface |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121026 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150727 |
|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160325 |