RU2598405C1 - Superconducting josephson device with composite magnetic layer - Google Patents

Superconducting josephson device with composite magnetic layer Download PDF

Info

Publication number
RU2598405C1
RU2598405C1 RU2015130285/28A RU2015130285A RU2598405C1 RU 2598405 C1 RU2598405 C1 RU 2598405C1 RU 2015130285/28 A RU2015130285/28 A RU 2015130285/28A RU 2015130285 A RU2015130285 A RU 2015130285A RU 2598405 C1 RU2598405 C1 RU 2598405C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
film
superconducting
sro
lsmo
thin
Prior art date
Application number
RU2015130285/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Александрович Овсянников
Антон Викторович Шадрин
Юлий Вячеславович Кислинский
Карен Иванович Константинян
Original Assignee
ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
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 ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук filed Critical ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Priority to RU2015130285/28A priority Critical patent/RU2598405C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2598405C1 publication Critical patent/RU2598405C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: use: for creation of superconducting Josephson device. Essence of this invention consists in the fact that the superconducting Josephson device with composite magnetic layer based on thin-film structure has a planar geometry of thin films in the form of the heterostructure Sd-M-S (Sd - base film of cuprate superconductor, M - composite magnetic layer, S - upper superconducting electrode), formed on the substrate of NdGaO3 crystal with orientation (110), epitaxial grown film of superconducting cuprate YBa2Cu3O7-δ is used as the Sd base film, and sequentially deposited films of SrRuO3 (SRO) strontium ruthenate with thickness dSRO and optimally doped manganite La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) of thickness dLSMO are used as a composite of the M magnetic layer, AuNb superconducting thin-film two-layer is used as an upper electrode S, thickness of SRO and LSMO films are determined by number of laser ablation pulses, thus providing the calculated ratio of dSRO and dLSMO relative to corresponding lengths of coherence ξF in SRO and LSMO, thickness of the composite film dM=dSRO+dLSMO can vary from units to tens of nanometres, Au thickness in AuNb upper electrode should provide superconducting proximity effect, and it makes the order of nanometres several units, wherein the thin-film topology of the device is made together with superconducting thin-film antenna of Sd and S films, placed at the same substrate, and planar size of L Sd-M-S structure (in the plane of the layers) varies from fractions to tens of micrometers.
EFFECT: possibility provision of creation of superconducting Josephson device.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в радиотехнических устройствах СВЧ-диапазона, а также в информационных системах, работающих при низких температурах.The invention relates to cryoelectronic devices and can be used in microwave devices in the microwave range, as well as in information systems operating at low temperatures.

Известен джозефсоновский торцевой контакт с электропроводящими (или полупроводниковыми) слоями, образующими барьерную прослойку между двумя сверхпроводящими слоями (патент DE 4431340 (А1) 1996-03-07 «Josephson contact with multilayer barrier» - Schilling Meinhard). В таком торцевом джозефсоновском контакте барьер состоит как минимум из двух слоев, состоящих из металлических и полупроводниковых материалов с кристаллической структурой перовскита, в котором (в барьерной прослойке) по крайней мере в одном слое реализуется высокая проводимость. Кроме того, в джозефсоновском торцевом контакте по крайней мере один слой, образующий барьерную прослойку, по сравнению с другими слоями обладает существенно большей сверхпроводящей длиной когерентности. При этом сама барьерная прослойка образуется из поочередно соединенных слоев так, чтобы слой с низкой проводимостью чередовался со слоем с более высокой проводимостью.Known Josephson end contact with electrically conductive (or semiconductor) layers forming a barrier layer between two superconducting layers (patent DE 4431340 (A1) 1996-03-07 "Josephson contact with multilayer barrier" - Schilling Meinhard). In such an end Josephson junction, the barrier consists of at least two layers consisting of metal and semiconductor materials with a perovskite crystal structure, in which (in the barrier layer) high conductivity is realized in at least one layer. In addition, in the Josephson end contact, at least one layer forming the barrier layer, in comparison with other layers, has a significantly longer superconducting coherence length. In this case, the barrier layer itself is formed from alternately connected layers so that the layer with low conductivity alternates with the layer with higher conductivity.

В другом типе торцевого джозефсоновского контакта (патент DE 19634645 «Superconductive and non-superconductive layer sequence» R. Holczyk, U. Poppe, Ch. Jia). последовательность и состав слоев может включать последовательность из сверхпроводящего материала, содержащего плоскости CuO2, и несверхпроводящих слоев из следующих материалов:In another type of end Josephson end contact (patent DE 19634645 "Superconductive and non-superconductive layer sequence" R. Holczyk, U. Poppe, Ch. Jia). the sequence and composition of the layers may include a sequence of a superconducting material containing CuO 2 planes and non-superconducting layers of the following materials:

(I)(I) BaTbO3;BaTbO 3 ; (II)(Ii) Ba1-xSrxTbO3 (x=0 1),Ba 1-x Sr x TbO 3 (x = 0 1), (III)(III) LaCu1-xTbxO3 (х=0 до 1),LaCu 1-x Tb x O 3 (x = 0 to 1), (IV)(Iv) RCu1-xTbxO3 (R=Nd, Eu и Sm и х=0 до 1),RCu 1-x Tb x O 3 (R = Nd, Eu and Sm and x = 0 to 1), (V)(V) Ba1-xSrxMO3 (М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1),Ba 1-x Sr x MO 3 (M = Tb, Pr or Ce and x = 0 to 1), (VI)(Vi) LaCu1-xMxO3 (М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1),LaCu 1-x M x O 3 (M = Tb, Pr or Ce and x = 0 to 1), (VII)(Vii) RCu1-xMxO3 (R=Nd, Eu и Sm, М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1),RCu 1-x M x O 3 (R = Nd, Eu and Sm, M = Tb, Pr or Ce and x = 0 to 1), (VIII)(Viii) R1-yNyCu-1xMxO3 (R=La, Nd, Eu и Sm, N=Ba или Sr, М=Tb, Pr или Се, х=0 1 и у=0 до 1),R 1-y NyCu- 1x M x O 3 (R = La, Nd, Eu and Sm, N = Ba or Sr, M = Tb, Pr or Ce, x = 0 1 and y = 0 to 1), (IX)(Ix) R2-yNyCu1-xMxO4 (R=La, Nd, Eu и Sm, N=Ba или Sr, M=Tb, Pr или Се, x=0 до 1 и у = от 0 до 1)R 2-y N y Cu 1-x M x O 4 (R = La, Nd, Eu and Sm, N = Ba or Sr, M = Tb, Pr or Ce, x = 0 to 1 and y = 0 to one)

В качестве примера реализации в указанном патенте приведена 5-слойка, сформированная на подложке SrTiO3: Pt-YBa2Cu3O7 - BaTbO3 - YBa2Cu3O7 - BaTbO3 - YBa2Cu3O7-SrTiO3 (Pt - металлизация). Отмечается, что граница раздела между YBa2Cu3O7/BaTbO3 имеет протяженность порядка 0,6 нм.As an example of implementation, the said patent shows a 5-layer formed on a SrTiO 3 substrate: Pt-YBa 2 Cu 3 O 7 - BaTbO 3 - YBa 2 Cu 3 O 7 - BaTbO 3 - YBa 2 Cu 3 O 7 -SrTiO 3 ( Pt - metallization). It is noted that the interface between YBa 2 Cu 3 O 7 / BaTbO 3 has a length of about 0.6 nm.

Известен патент (US 2007281861 (А1) 2007-12-06 «Superconducting device and method of manufacturing the same» Ishimaru Yoshihiro, Tarutani Yoshinobu, Tanabe Keiichi), в котором предлагается (помимо однослойных устройств на переходах в бикристаллической конфигурации) многослойное сверхпроводящее устройство, состоящее из подложки, первой сверхпроводящей пленки, изолирующего слоя (барьера) и второй сверхпроводящей пленки. В многослойной сверхпроводящей структуре барьерный слой формируется на нижней (первой) сверхпроводящей пленке.Known patent (US 2007281861 (A1) 2007-12-06 "Superconducting device and method of manufacturing the same" by Ishimaru Yoshihiro, Tarutani Yoshinobu, Tanabe Keiichi), which proposes (in addition to single-layer devices on transitions in a bicrystal configuration) a multilayer superconducting device, consisting of a substrate, a first superconducting film, an insulating layer (barrier) and a second superconducting film. In a multilayer superconducting structure, a barrier layer is formed on the lower (first) superconducting film.

Общим недостатком такого типа торцевых многослойных устройств является собственно их геометрия, не позволяющая обеспечить идентичность характеристик тонкой пленки в области торцевого скоса и на плоских участках подложки [М. van Zalk, А. Brinkman, J. Aarts, and H. Hilgenkamp, Phys.Rev. В 82, 134513 (2010)].A common drawback of this type of end multilayer devices is their geometry proper, which does not allow for the identity of the characteristics of a thin film in the region of the end bevel and on flat sections of the substrate [M. van Zalk, A. Brinkman, J. Aarts, and H. Hilgenkamp, Phys. Rev. B 82, 134513 (2010)].

Известно гибридное устройство с планарной геометрией - оксидная гетероструктура (патент Bozovic I., WO 0239509-A2). Устройство включает в себя подложку и монолитно сформированную на подложке структуру, содержащую один или более магнитных F-слоев из оксидов металлов, формируемых молекулярно-лучевой эпитаксией (слой за слоем). Отметим, что для обеспечения требуемого качества границ раздела S/F, F/F слоев необходимо применение (как и предложено в указанном патенте) уникальной установки молекулярно-лучевой эпитаксии, которая не может быть заменена другими известными методами получения тонких пленок.A hybrid device with planar geometry is known - an oxide heterostructure (patent Bozovic I., WO 0239509-A2). The device includes a substrate and a structure monolithically formed on the substrate, containing one or more magnetic F-layers of metal oxides formed by molecular beam epitaxy (layer by layer). Note that to ensure the required quality of the S / F, F / F layer interfaces, it is necessary to use (as suggested in the mentioned patent) a unique molecular beam epitaxy unit, which cannot be replaced by other known methods for producing thin films.

Известен также сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом (патент RU 2373610 (С1) - 2009-11-20), Карминская Т.Ю., Куприянов М.Ю., Рязанов В.В. (прототип предлагаемого технического решения). Устройство-прототип представляет собой джозефсоновский переход длиной L, в котором слабая связь образована тонкопленочной магнитоактивной трехслойной FNF структурой (F - ферромагнитный материал, N - нормальный металл), а сверхпроводниковые (S) электроды контактируют с противолежащими боковыми гранями слоистой структуры. Слои S, F, N характеризуются длиной когерентности ξS, ξF, ξN соответственно, а длина L выбирается в интервале от долей до единиц ξF. При этом F-слои выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности относительно друг друга в плоскости слоистой структуры, предусматривая возможность перехода из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние и обеспечение генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Угол разворота векторов намагниченности должен быть заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока. Задание сверхпроводящего тока осуществляется в направлении, параллельном FN-границам композитной области слабой связи в S-(FNF)-S структуре.Also known is a superconducting device with a Josephson junction (patent RU 2373610 (C1) - 2009-11-20), Karminskaya T.Yu., Kupriyanov M.Yu., Ryazanov V.V. (prototype of the proposed technical solution). The prototype device is a Josephson junction of length L, in which the weak bond is formed by a thin-film magnetically active three-layer FNF structure (F is a ferromagnetic material, N is a normal metal), and superconducting (S) electrodes are in contact with the opposite side faces of the layered structure. The layers S, F, N are characterized by the coherence length ξ S , ξ F , ξ N, respectively, and the length L is selected in the interval from fractions to units ξ F. In this case, the F layers are capable of reversing the magnetization vectors relative to each other in the plane of the layered structure, providing for the possibility of transition from the antiferromagnetic to the ferromagnetic state and ensuring the generation of the triplet type of superconducting pairing in the weak coupling region. The angle of rotation of the magnetization vectors should be in the range of values at which the maximum magnitude of the superconducting current module is achieved. 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.

Основным недостатком прототипа является экспоненциальное уменьшение значений плотности критического тока jC структуры с увеличением ее длины L, которая не может превосходить нескольких длин когерентности ξF. Согласно [J.W.A. Robinson, S. Piano, G. Burnell, С. Bell, and M.G. Blamire Phys. Rev. В 76, 094522, (2007)] величины ξF для типичных ферромагнитных материалов Ni80Fe20 - 0.46 нм, Ni - 1.2 нм, Со - 0.3 нм, Fe - 0.25 нм. Для обеспечения малости длины L S-(FNF)-S джозефсоновского перехода требуется труднодоступное и дорогостоящее технологическое оборудование, которое обеспечит получение субмикронных зазоров с контролируемой поверхностью нижнего электрода. При этом требуемая протяженность границ раздела S/FNF и FNF/S в патенте-прототипе не специфицируется.The main disadvantage of the prototype is an exponential decrease in the critical current density j C structure with an increase in its length L, which cannot exceed several coherence lengths ξ F. According to [JWA Robinson, S. Piano, G. Burnell, C. Bell, and MG Blamire Phys. Rev. 76, 094522, (2007)] the ξ F values for typical ferromagnetic materials Ni 80 Fe 20 - 0.46 nm, Ni - 1.2 nm, Co - 0.3 nm, Fe - 0.25 nm. To ensure the small length L S- (FNF) -S of the Josephson junction, difficult and expensive technological equipment is required that will provide submicron gaps with a controlled surface of the lower electrode. Moreover, the required length of the S / FNF and FNF / S interfaces is not specified in the prototype patent.

Анализ уровня техники показывает, что общим недостатком тонкопленочных джозефсоновских устройств, выполненных в торцевой геометрии, является неидентичность характеристик пленки в области торцевого скоса и на плоских участках подложки. В устройстве-прототипе этот недостаток преодолен за счет планарного расположения слоев FNF структуры, которая подсоединена к сверхпроводниковым электродам боковыми гранями. Для практической реализации такого прибора требуется чрезвычайно короткая (порядка единиц нанометров) длина L FNF структуры, при этом необходимо обеспечить требуемое качество границ раздела между торцами FNF-структуры и S-электродами при условии сохранения их недеформированными в процессе технологических операций изготовления прибора, что является проблематичным для современного уровня технологии, при этом остается открытым вопрос интегрируемости джозефсоновского устройства-прототипа с антенной.An analysis of the prior art shows that a common drawback of thin-film Josephson devices made in end geometry is the non-identical characteristics of the film in the region of the end bevel and on flat sections of the substrate. In the prototype device, this drawback is overcome due to the planar arrangement of the FNF layers of the structure, which is connected to the superconducting electrodes by side faces. For the practical implementation of such a device, an extremely short (of the order of nanometers) length L FNF structure is required, while it is necessary to ensure the required quality of the interface between the ends of the FNF structure and S-electrodes, provided that they are undeformed during the technological operations of manufacturing the device, which is problematic for the current level of technology, while the question of the integrability of the Josephson prototype device with the antenna remains open.

Целью изобретения является:The aim of the invention is:

1) обеспечение возможности управления плотностью критического тока jC за счет варьирования толщинами тонких пленок композитной магнитоактивной прослойки, что позволяет устранить недостаток прототипа - экспоненциальное уменьшение плотности критического тока jC в зависимости от длины L джозефсоновского прибора с магнитоактивной прослойкой;1) providing the ability to control the critical current density j C by varying the thickness of the thin films of the composite magnetically active interlayer, which eliminates the disadvantage of the prototype - an exponential decrease in the critical current density j C depending on the length L of a Josephson device with a magnetically active interlayer;

2) обеспечение интегрируемости тонкопленочного сверхпроводникового джозефсоновского прибора со сверхпроводниковой антенной на одном чипе.2) ensuring the integrability of a thin-film superconducting Josephson device with a superconductor antenna on a single chip.

Поставленная цель достигается тем, что сверхпроводниковый джозефсоновский прибор Sd-M-S (Sd - базовая пленка YBCO, М - композитная магнитоактивная прослойка, S - верхний сверхпроводниковый электрод) формируется на одной подложке (чипе) методами плазмо-химического и ионного-лучевого травлений, а ее тонкопленочная топология интегрируема со сверхпроводниковой тонкопленочной антенной. В качестве подложки используется NdGaO3 с ориентацией (110), для Sd используется эпитаксиально выращенная пленка сверхпроводящего купрата YBCO, а в качестве композитного магнитоактивного слоя М используются последовательно осаждаемые пленки манганита La0.7Sr0.3MnO3, (LSMO) и рутената стронция SrRuO3 (SRO). Направление вектора намагниченности пленки LSMO лежит в плоскости подложки, а в SRO вектор намагниченности направлен под углом примерно 23° относительно нормали к подложке, что обеспечивает из неколлинеарность. При этом плотность критического тока определяется суммой и отношением толщин SRO и LSMO пленок (dSRO и dLSMO соответственно). Толщины пленок определяются числом импульсов лазерной абляции, что с учетом длин когерентности ξF в SRO и LSMO обеспечивает как оптимальное соотношение dSRO/dLSMO, так и суммарную толщину dM=dSRO+dLSMO композитной прослойки, варьируемой от единиц до десятков нанометров. В качестве верхнего электрода S используется сверхпроводящая двухслойка AuNb. Толщина Au в верхнем электроде AuNb должна обеспечивать сверхпроводящий эффект близости. Планарный размер структуры L (длина и ширина) составляет величину от долей до десятков микрометров и определяет амплитуду критического тока IC=jCL2. При приложении внешнего магнитного поля происходит изменение взаимной пространственной ориентации намагниченностей пленок SRO и LSMO в М прослойке, обеспечивающее не только модуляцию критического тока, но и оказывает модифицирующее влияние на функцию ток-фазовой зависимости.This goal is achieved by the fact that the Sd-MS superconducting Josephson device (Sd is the YBCO base film, M is the magnetically composite interlayer, S is the upper superconducting electrode) is formed on one substrate (chip) by plasma-chemical and ion-beam etching, and its thin-film topology is integrable with a superconducting thin-film antenna. As a substrate, NdGaO 3 with an orientation of (110) is used, for Sd, an epitaxially grown superconducting YBCO cuprate film is used, and sequentially deposited films of La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 , (LSMO) manganite and SrRuO 3 strontium ruthenate are used as a composite magnetoactive layer M SRO). The direction of the magnetization vector of the LSMO film lies in the plane of the substrate, and in SRO the magnetization vector is directed at an angle of about 23 ° relative to the normal to the substrate, which ensures noncollinearity. The critical current density is determined by the sum and ratio of the thicknesses of the SRO and LSMO films (d SRO and d LSMO, respectively). The film thicknesses are determined by the number of laser ablation pulses, which, taking into account the coherence lengths ξ F in SRO and LSMO, provides both the optimal ratio d SRO / d LSMO and the total thickness d M = d SRO + d LSMO of the composite interlayer, varying from units to tens of nanometers . As the upper electrode S, a superconducting two-layer AuNb is used. The Au thickness in the upper AuNb electrode should provide a superconducting proximity effect. The planar size of the structure L (length and width) is from fractions to tens of micrometers and determines the amplitude of the critical current I C = j C L 2 . When an external magnetic field is applied, the mutual spatial orientation of the magnetizations of the SRO and LSMO films in the M interlayer changes, providing not only the modulation of the critical current, but also modifying the current-phase dependence function.

Тонкие пленки Sd и М выращиваются in situ в той же вакуумной камере при высокой температуре нагрева подложки, а затем полученная структура ex situ покрывается тонким, 20-30 нм, слоем Au после охлаждения до комнатной температуры. Последующий слой ниобия для электрода S наносится методом магнетронного распыления после нанесения дополнительной защитной пленки Au (после стравливания с целью очистки поверхности слоя золота, осажденного на предыдущем этапе in situ). Подслой золота используется для сохранения стехиометрии по кислороду оксидной прослойки и предотвращения окисления приповерхностного слоя ниобия и предотвращения образования окислов. Эффект близости между сверхпроводящим Nb и тонким слоем металла Au может проявляться в некотором снижении критической температуры бислоя NbAu до значения TC=8,5-9 K. Величины прозрачности границ раздела I1 (между купратным сверхпроводником Sd и магнитоактивным материалом М) и I2 (между слоем М и верхним S-электродом из двухслойки AuNb) определяются значениями характерного сопротивления RNA, где RN - сопротивление структуры в нормальном состоянии, A=L2 - площадь контактной области.Thin films of Sd and M are grown in situ in the same vacuum chamber at a high substrate heating temperature, and then the resulting ex situ structure is covered with a thin 20-30 nm Au layer after cooling to room temperature. The subsequent niobium layer for electrode S is applied by magnetron sputtering after applying an additional Au protective film (after etching to clean the surface of the gold layer deposited in situ in the previous step). The gold sublayer is used to preserve oxygen stoichiometry of the oxide layer and to prevent oxidation of the surface layer of niobium and to prevent the formation of oxides. The proximity effect between superconducting Nb and a thin layer of Au metal can manifest itself in a certain decrease in the critical temperature of the NbAu bilayer to a value of T C = 8.5–9 K. The transparency of the interface I 1 (between the cuprate superconductor S d and magnetically active material M) and I 2 (between the M layer and the upper S-electrode of the AuNb bilayer) are determined by the values of the characteristic resistance R N A, where R N is the resistance of the structure in the normal state, A = L 2 is the area of the contact region.

Сущность изобретения поясняется на чертежах:The invention is illustrated in the drawings:

Фиг. 1. Гетероструктура сверхпроводникового джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой: (а) схематическое изображение и функциональная модель. 1 - подложка, 2 - тонкая пленка YBCO, 3 и 4 пленки композитной магнитоактивной прослойки, 5 - пленка Nb. Снятие вольт-амперных характеристик осуществляется подключением источника тока «А» и вольтметра «V» через контактные площадки из золота на электродах 2 и 5. В функциональной модели S - сверхпроводниковая двухслойка NbAu, Sd - сверхпроводник YBCO, М - магнитоактивная прослойка, которая состоит из двух ферромагнитных слоев, I1 и I2 - барьерные области, образующиеся на границах раздела, (б) увеличенное изображение (фотография) фрагмента гетероструктуры с антенной, сформированной на электродах 2 и 5.FIG. 1. Heterostructure of a superconducting Josephson device with a composite magnetically active interlayer: (a) schematic representation and functional model. 1 - substrate, 2 - thin YBCO film, 3 and 4 films of a composite magnetically active interlayer, 5 - Nb film. The current-voltage characteristics are measured by connecting the current source “A” and the voltmeter “V” through the contact pads made of gold on electrodes 2 and 5. In the functional model S, there is a superconducting two-layer NbAu, Sd is a superconductor YBCO, M is a magnetoactive interlayer, which consists of two ferromagnetic layers, I 1 and I 2 are the barrier regions formed at the interfaces, (b) an enlarged image (photograph) of a fragment of a heterostructure with an antenna formed on electrodes 2 and 5.

Фиг. 2. Семейство вольт-амперных характеристик при Т=4,2 K и частоте СВЧ воздействия 41 ГГц. Параметры джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой: dSRO=6 нм, dLSMO=5.5 нм, L=10 мкм. Параметр α - вносимое затухание в тракт внешней электродинамической системы.FIG. 2. A family of current-voltage characteristics at T = 4.2 K and a microwave frequency of exposure to 41 GHz. The parameters of a Josephson device with a magnetically composite interlayer: d SRO = 6 nm, d LSMO = 5.5 nm, L = 10 μm. Parameter α is the introduced attenuation into the path of the external electrodynamic system.

Фиг. 3. Нормированные зависимости критического тока (кружки), первой ступени Шапиро (треугольники) и полуцелой ступени Шапиро (ромбы) от нормированной амплитуды СВЧ-излучения a=IRF/IC. Линиями показаны теоретические зависимости, рассчитанные по модифицированной резистивной модели, учитывающей влияние второй гармоники ток-фазовой зависимости сверхпроводящего тока.FIG. 3. Normalized dependences of the critical current (circles), the first Shapiro stage (triangles) and the half-integer Shapiro stage (rhombs) on the normalized amplitude of microwave radiation a = I RF / I C. The lines show the theoretical dependences calculated by a modified resistive model that takes into account the influence of the second harmonic of the current-phase dependence of the superconducting current.

Фиг. 4. Фурье анализ периодов модуляции критического тока внешним магнитным полем (ΔHFFT) и соответствующие амплитуды Фурье компонент в зависимости от параметра 1/L для магнитнополевых зависимостей критического тока трех джозефсоновских гетероструктур, расположенных на одном чипе.FIG. 4. Fourier analysis of the periods of critical current modulation by an external magnetic field (ΔH FFT ) and the corresponding Fourier amplitudes of the components depending on the 1 / L parameter for the magnetic field dependences of the critical current of three Josephson heterostructures located on the same chip.

Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой (Фиг. 1) может быть сформирован на основе эпитаксиально выращенных пленок оксидных материалов. Для этого предлагается использовать известные методы лазерной абляции, магнетронного распыления и катодного распыления при высоком давлении кислорода. Для получения базовых пленок купратного сверхпроводника YBa2Cu3O7-δ (YBCO) применима подложка NdGaO3 (NGO) с ориентациями (110). Такой подход позволяет управлять свойствами эпитаксиально сформированных многослойных структур и получать базовые пленки купратных сверхпроводников с критической температурой TC=88-89 K. Для получения магнитных пленок прослойки М можно использовать тонкие пленки оптимально допированного манганита La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) при температурах Т<100 K, обладающего свойствами ферромагнетиков. Аналогичный подход применим и для напыления пленок других оксидных материалов, в частности рутената SrRuO3 (SRO), а также композитной прослойки рутенат-манганит SRO/LSMO. На рентгеновских спектрах опытных образцов наблюдались пики трех материалов гетероструктуры YBCO, LSMO и SRO, что указывает на эпитаксиальный рост пленок в гетероструктуре и отсутствие перемешивания материалов на границах раздела. Топология джозефсоновского прибора может быть сформирована известными методами фотолитографии, плазмо-химического и ионного-лучевого травлений. Тонкие пленки в многослойных структурах с контролируемой толщиной от единиц до десятков нанометров могут быть эпитаксиально выращены без разрыва вакуума при высокой температуре нагрева подложки. Для нагрева и поддержания подложки при высокой температуре может быть использован нагреватель на основе элемента "ThermoCoax", состоящий из центральной жилы NiCr, коаксиальной оболочки из нержавеющей стали и изолирующей прослойки из порошкообразного MgO. Под крышку нагревателя с помощью серебряной пасты, обеспечивающей хороший термический контакт, вклеивается изолированная термопара Cu/NiCr. Для достижения хорошего термического контакта подложка также приклеивается к крышке нагревателя серебряной пастой.A superconducting Josephson device with a composite magnetically active interlayer (Fig. 1) can be formed on the basis of epitaxially grown films of oxide materials. To do this, it is proposed to use the known methods of laser ablation, magnetron sputtering and cathodic sputtering at high oxygen pressures. To obtain the base films of the cuprate superconductor YBa 2 Cu 3 O 7-δ (YBCO), an NdGaO 3 (NGO) substrate with (110) orientations is applicable. This approach allows one to control the properties of epitaxially formed multilayer structures and to obtain base films of cuprate superconductors with a critical temperature of T C = 88-89 K. To obtain magnetic films of interlayer M, thin films of optimally doped La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 (LSMO) manganite can be used at temperatures T <100 K, possessing the properties of ferromagnets. A similar approach is applicable for the deposition of films of other oxide materials, in particular, SrRuO 3 ruthenate (SRO), as well as the SRO / LSMO composite layer of ruthenate-manganite. On the x-ray spectra of the experimental samples, peaks of three materials of the YBCO, LSMO, and SRO heterostructure were observed, which indicates the epitaxial growth of the films in the heterostructure and the absence of mixing of materials at the interfaces The topology of the Josephson device can be formed by well-known methods of photolithography, plasma-chemical and ion-beam etching. Thin films in multilayer structures with a controlled thickness from units to tens of nanometers can be epitaxially grown without breaking the vacuum at a high substrate heating temperature. To heat and maintain the substrate at high temperature, a heater based on the ThermoCoax element can be used, consisting of a central NiCr core, a stainless steel coaxial sheath and an insulating layer of powdered MgO. Using a silver paste that provides good thermal contact, an insulated Cu / NiCr thermocouple is glued under the heater cover. To achieve good thermal contact, the substrate is also glued to the heater lid with silver paste.

Перед осаждением двухслоек Au/Nb поверхность обрабатывается методами радиочастотного травления или ионно-лучевого травления в атмосфере Ar в зависимости от типа использовавшихся напылительных установок. Осаждение пленок Au и Nb проводится методами радиочастотного распыления и радиочастотного магнетронного распыления мишеней Au и Nb соответственно. Толщина пленки Au составляла 5-30 нм, Nb 200 нм. Для предотвращения химического взаимодействия Nb с фоторезистом в процессе длительного ионно-лучевого травления пленки YBCO на поверхность пленки Nb осаждается дополнительный защитный слой Au толщиной 30 нм.Before deposition of Au / Nb bilayers, the surface is treated by methods of radio frequency etching or ion beam etching in an Ar atmosphere, depending on the type of spraying system used. The deposition of Au and Nb films is carried out by the methods of radio frequency sputtering and radio frequency magnetron sputtering of Au and Nb targets, respectively. The Au film thickness was 5-30 nm, Nb 200 nm. To prevent the chemical interaction of Nb with the photoresist during prolonged ion-beam etching of the YBCO film, an additional 30 nm thick Au protective layer is deposited on the Nb film surface.

Для формирования топологии сверхпроводникового джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой используется фотолитография. Многослойка Au/Nb/Au/M/YBCO покрывается слоем фоторезиста Shipley-1813 толщиной порядка 1 мкм, который после процессов засветки и проявления оставался в области перехода, образуя маску, через которую затем производилось травление многослойки Au/Nb/Au/MYBCO. Для травления Nb применяется плазмо-химическое травление в смеси CF4 и O2. Удаление пленок Au, YBCO и манганитной прослойки производится ионно-лучевым травлением с низкой энергией ионов Ar+ 250 эВ и плотностью ионного тока 0.2 мА/см2, что уменьшает влияние ионной бомбардировки на поверхностный слой манганитной прослойки и YBCO пленки. Сформированную указанным способом многослойную структуру следует затем изолировать с торцов изолирующим слоем SiO2, который позволяет локализовать область протекания тока и избежать паразитных контактов по торцам YBCO пленки. Из областей переходов и контактных площадок пленка SiO2 удаляется методом взрывной фотолитографии. На последнем этапе производится напыление дополнительных слоев Nb и Au и формирование в них рисунка, обеспечивающего возможность проведения 4-точечных электрических измерений при Т<TC. На Фигуре 1б показано увеличенное изображение (фотография) фрагмента центральной гетереструктуры с антенной на подложке 5×5 мм2, на которой расположено пять структур Nb/Au/M/YBCO размерами от 10×10 до 50×50 мкм2.Photolithography is used to form the topology of a superconducting Josephson device with a composite magnetoactive interlayer. The Au / Nb / Au / M / YBCO multilayer is covered with a layer of Shipley-1813 photoresist about 1 μm thick, which after exposure and development processes remained in the transition region, forming a mask, through which the Au / Nb / Au / MYBCO multilayer was then etched. Plasma-chemical etching in a mixture of CF 4 and O 2 is used for Nb etching. The removal of Au, YBCO films and the manganite interlayer is carried out by ion beam etching with a low ion energy of Ar + 250 eV and an ion current density of 0.2 mA / cm 2 , which reduces the effect of ion bombardment on the surface layer of the manganite interlayer and the YBCO film. The multilayer structure formed by this method should then be isolated from the ends with an insulating layer of SiO 2 , which allows localizing the current flow region and avoiding spurious contacts at the ends of the YBCO film. From the transition regions and contact pads, the SiO 2 film is removed by explosive photolithography. At the last stage, additional Nb and Au layers are sprayed and a pattern is formed in them, which makes it possible to conduct 4-point electrical measurements at T <T C. Figure 1b shows an enlarged image (photograph) of a fragment of a central hetero structure with an antenna on a 5 × 5 mm 2 substrate, on which there are five Nb / Au / M / YBCO structures with sizes from 10 × 10 to 50 × 50 μm 2 .

Измерения зависимостей критического тока IC от магнитного поля показали, что на зависимостях IC(H) критический ток увеличивается при приложении слабого магнитного поля Н=5-15 Э. Конкретная величина магнитного поля, при котором наблюдается максимум критического тока, зависит от параметров Nb/Au/M/YBCO и направления магнитного поля. Теоретические расчеты [L. Trifunovic, Z.

Figure 00000001
, and Z.
Figure 00000002
Phys. Rev. B, 84, 064511 (2011) и A.S. Mel′nikov, A.V. Samokhvalov, S.M. Kuznetsova et al., Phys. Rev Lett., 109, 237006 (2012)] предсказывают значительное (на несколько порядков) увеличение второй гармоники ток-фазовой зависимости сверхпроводящего тока для случая несимметричной прослойки (d1≠d2) при изменении угла между направлениями намагниченностей пленок прослойки. При измерении динамики изменения ступенек Шапиро было обнаружено отклонение от синусоидальности ток-фазовой зависимости. На ВАХ прибора с L=10 мкм и IC=88 мкА и нормальным сопротивлением RN=0,16 Ом под воздействием монохроматического СВЧ-излучения на частоте
Figure 00000003
ГГц наряду с целочисленными наблюдаются дробные ступени Шапиро (Фигуры 2 и 3). Для критической частоты
Figure 00000004
ГГц отношение
Figure 00000005
хорошо соответствует условию высокочастотного предела, что в эксперименте подтверждается величиной максимума первой ступени Шапиро I1=94 мкА и соответственно отношением I1/IC=1.1. При этом максимальная высота полуцелой ступени Шапиро была I1/2=15 мкА, что в рамках модифицированной резистивной модели [P. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, K.Y. Constantinian et al., Phys Rev B, 78, 024501 (2008)] с учетом несинусоидальной ток-фазовой зависимости указывает на существенный вклад от второй гармоники. Модификация ток-фазовой зависимости под воздействием внешнего магнитного поля показана на Фигуре 4, демонстрирующей результат Фурье-анализа периодов модуляции ΔHFFT критического тока IC внешним магнитным полем Н и соответствующие амплитуды Фурье-компонент в зависимости от параметра 1/L для магнитнополевых зависимостей критического тока IC(Н) для трех сверхпроводниковых джозефсоновских приборов с композитной магнитоактивной прослойкой, расположенных на одном чипе.Measurements of the dependences of the critical current I C on the magnetic field showed that on the dependences I C (H) the critical current increases when a weak magnetic field is applied H = 5-15 Oe. The specific value of the magnetic field at which the maximum of the critical current is observed depends on the parameters Nb / Au / M / YBCO and magnetic field directions. Theoretical calculations [L. Trifunovic, Z.
Figure 00000001
, and Z.
Figure 00000002
Phys. Rev. B, 84, 064511 (2011) and AS Mel′nikov, AV Samokhvalov, SM Kuznetsova et al., Phys. Rev Lett., 109, 237006 (2012)] predict a significant (by several orders of magnitude) increase in the second harmonic of the current-phase dependence of the superconducting current for the case of an asymmetric interlayer (d 1 ≠ d 2 ) with a change in the angle between the directions of magnetization of the interlayer films. When measuring the dynamics of the Shapiro steps, a deviation from the sinusoidality of the current-phase dependence was found. On the I – V characteristic of a device with L = 10 μm and I C = 88 μA and normal resistance R N = 0.16 Ohm under the influence of monochromatic microwave radiation at a frequency
Figure 00000003
GHz along with integer Shapiro fractional steps are observed (Figures 2 and 3). For critical frequency
Figure 00000004
GHz ratio
Figure 00000005
well corresponds to the condition of the high-frequency limit, which is experimentally confirmed by the maximum value of the first Shapiro stage I 1 = 94 μA and, accordingly, the ratio I 1 / I C = 1.1. Moreover, the maximum height of the half-integral Shapiro step was I 1/2 = 15 μA, which is within the framework of the modified resistive model [P. Komissinskiy, GA Ovsyannikov, KY Constantinian et al., Phys Rev B, 78, 024501 (2008)], taking into account the non-sinusoidal current-phase dependence, indicates a significant contribution from the second harmonic. Modification of the current-phase dependence under the influence of an external magnetic field is shown in Figure 4, showing the result of a Fourier analysis of the modulation periods ΔH FFT of the critical current I C with an external magnetic field H and the corresponding amplitudes of the Fourier component depending on parameter 1 / L for the magnetic field dependences of the critical current I C (Н) for three superconducting Josephson devices with a composite magnetoactive interlayer located on the same chip.

Таким образом, технический результат предлагаемого сверхпроводникового джозефсоновского прибора с многослойной магнитоактивной прослойкой состоит в следующем: а) конструкция прибора обеспечивает возможность управления плотностью сверхпроводящего тока за счет выбора толщин ферромагнитных пленок композитной магнитоактивной прослойки, б) прибор характеризуется несинусоидальной ток-фазовой зависимостью сверхпроводящего тока, модулируемого внешним магнитным полем и СВЧ сигналом, в) изготовление прибора основывается на известных и доступных методах осаждения тонких пленок с контролируемой толщиной каждого слоя, г) формирование прибора в планарной топологии позволяет его интеграцию в планарную широкополосную тонкопленочную антенну на одном чипе.Thus, the technical result of the proposed superconducting Josephson device with a multilayer magnetically active interlayer is as follows: a) the design of the device provides the ability to control the density of the superconducting current by choosing the thickness of the ferromagnetic films of the composite magnetically active interlayer, b) the device is characterized by a non-sinusoidal current-phase dependence of the superconducting current modulated external magnetic field and microwave signal, c) the manufacture of the device is based on known and available methods of deposition of thin films with a controlled thickness of each layer; d) the formation of the device in planar topology allows its integration into a planar broadband thin-film antenna on a single chip.

Claims (1)

Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой на основе тонкопленочной структуры, отличающийся тем, что имеет планарную геометрию из тонких пленок в виде гетероструктуры Sd-M-S (Sd - базовая пленка купратного сверхпроводника, М - композитная магнитоактивная прослойка, S - верхний сверхпроводящий электрод), сформированный на подложке из кристалла NdGaO3 с ориентацией (110), в качестве базовой пленки Sd используется эпитаксиально выращенная пленка сверхпроводящего купрата YBa2Cu3O7-δ, в качестве композитного магнитоактивного слоя М используются последовательно осаждаемые пленки рутената стронция SrRuO3 (SRO) толщиной dSRO и оптимально допированного манганита La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) толщиной dLSMO, а в качестве верхнего электрода S используется сверхпроводящая тонкопленочная двухслойка AuNb, толщины SRO и LSMO пленок определяются числом импульсов лазерной абляции, обеспечивая расчетное соотношение dSRO и dLSMO относительно соответствующих длин когерентности ξF в SRO и LSMO, толщина композитной пленки dM=dSRO+dLSMO может варьироваться от единиц до десятков нанометров, толщина Au в верхнем электроде AuNb должна обеспечивать сверхпроводящий эффект близости и составляет величину порядка нескольких единиц нанометров, при этом тонкопленочная топология прибора формируется вместе со сверхпроводниковой тонкопленочной антенной из пленок Sd и S, расположенных на той же подложке, а планарный размер L Sd-M-S структуры (в плоскости слоев) варьируется от долей до десятков микрометров. A superconductor Josephson device with a magneto-composite composite based on a thin-film structure, characterized in that it has a planar geometry of thin films in the form of an Sd-MS heterostructure (Sd is the base film of a cuprate superconductor, M is a composite magnetically active interlayer, S is the upper superconducting electrode) on an NdGaO 3 crystal substrate with a (110) orientation, an epitaxially grown superconducting cuprate YBa 2 Cu 3 O 7-δ film is used as the base Sd film, as a composite the gnaroactive layer M, sequentially deposited films of strontium ruthenate SrRuO 3 (SRO) of thickness d SRO and optimally doped La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 (LSMO) manganite of thickness d LSMO are used , and the superconducting thin-film two-layer AuNb, SRO and LSMO thicknesses are used as the upper electrode S films are determined by the number of laser ablation pulses, providing a calculated ratio of d SRO and d LSMO relative to the corresponding coherence lengths ξ F in SRO and LSMO, the thickness of the composite film d M = d SRO + d LSMO can vary from units to tens of nanometers, thicknesses Au in the upper electrode AuNb should provide a superconducting proximity effect and is of the order of several units of nanometers, while the thin-film topology of the device is formed together with the superconducting thin-film antenna from Sd and S films located on the same substrate, and the planar size L Sd-MS structure (in the plane of the layers) varies from fractions to tens of micrometers.
RU2015130285/28A 2015-07-22 2015-07-22 Superconducting josephson device with composite magnetic layer RU2598405C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015130285/28A RU2598405C1 (en) 2015-07-22 2015-07-22 Superconducting josephson device with composite magnetic layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015130285/28A RU2598405C1 (en) 2015-07-22 2015-07-22 Superconducting josephson device with composite magnetic layer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2598405C1 true RU2598405C1 (en) 2016-09-27

Family

ID=57018419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015130285/28A RU2598405C1 (en) 2015-07-22 2015-07-22 Superconducting josephson device with composite magnetic layer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2598405C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109628890A (en) * 2019-01-10 2019-04-16 河北大学 A kind of ruthenic acid strontium/lanthanum strontium manganese oxygen transition metal oxide hetero-junctions and preparation method thereof
CN113410376A (en) * 2021-08-19 2021-09-17 北京大学 Topological quantum bit device based on topological semi-metal nanostructure and implementation method
CN115505874A (en) * 2022-09-23 2022-12-23 上海电力大学 STO-LSMO particle-GBCO composite film and preparation method thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5885937A (en) * 1996-07-09 1999-03-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Superconducting tunnel junction element and superconducting device
WO2001098076A1 (en) * 2000-06-21 2001-12-27 The Regents Of The University Of California High critical current superconducting tapes
RU2308123C1 (en) * 2006-06-21 2007-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "ВОРТИС" Superconductor device manufacturing method
RU2373610C1 (en) * 2008-07-02 2009-11-20 Научно-учебное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Superconducting device with josephson junction
US8032196B2 (en) * 2006-08-23 2011-10-04 Chugoku Electric Power Co., Inc. Josephson device, method of forming Josephson device and superconductor circuit
RU2437189C1 (en) * 2010-09-08 2011-12-20 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Detector of terahertz emission on josephson heterostructure

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5885937A (en) * 1996-07-09 1999-03-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Superconducting tunnel junction element and superconducting device
WO2001098076A1 (en) * 2000-06-21 2001-12-27 The Regents Of The University Of California High critical current superconducting tapes
RU2308123C1 (en) * 2006-06-21 2007-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "ВОРТИС" Superconductor device manufacturing method
US8032196B2 (en) * 2006-08-23 2011-10-04 Chugoku Electric Power Co., Inc. Josephson device, method of forming Josephson device and superconductor circuit
RU2373610C1 (en) * 2008-07-02 2009-11-20 Научно-учебное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Superconducting device with josephson junction
RU2437189C1 (en) * 2010-09-08 2011-12-20 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Detector of terahertz emission on josephson heterostructure

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109628890A (en) * 2019-01-10 2019-04-16 河北大学 A kind of ruthenic acid strontium/lanthanum strontium manganese oxygen transition metal oxide hetero-junctions and preparation method thereof
CN109628890B (en) * 2019-01-10 2020-12-29 河北大学 Strontium ruthenate/lanthanum strontium manganese oxygen transition metal oxide heterojunction and preparation method thereof
CN113410376A (en) * 2021-08-19 2021-09-17 北京大学 Topological quantum bit device based on topological semi-metal nanostructure and implementation method
CN115505874A (en) * 2022-09-23 2022-12-23 上海电力大学 STO-LSMO particle-GBCO composite film and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8200304B2 (en) Josephson junction and Josephson device
JPH08501416A (en) Improved barrier layer for oxide superconductor devices and circuits
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
RU2598405C1 (en) Superconducting josephson device with composite magnetic layer
JP3278638B2 (en) High-temperature superconducting Josephson junction and method of manufacturing the same
JPH08502629A (en) High temperature Josephson junction and method
Wakana et al. Improvement in reproducibility of multilayer and junction process for HTS SFQ circuits
JPH02177381A (en) Tunnel junction element of superconductor
JPH03228384A (en) Superconducting element
JPH05129671A (en) Superconducting element having magneto-resistance effect and manufacture thereof
JP2001168404A (en) Locally degenerate semiconductor ybco element using afm chip, superconductor ybco element, and manufacturing method thereof
RU2599904C1 (en) METHOD OF MAKING DEVICE WITH SUBMICRON JOSEPHSON π-CONTACT
Uzun et al. Fabrication of high-Tc superconducting multilayer structure with YBa2Cu3O7− x thin films separated by SrTiO3 interlayers
JP4230179B2 (en) Oxide multilayer film including perovskite oxide film
JPH07309700A (en) Oxide thin film, its production and superconducting element using the same
JPH0278282A (en) Josephson element
JP2647985B2 (en) Josephson element
JP2000022227A (en) Oxide superconductor material and element
JPH08279630A (en) Manufacture of josephson-junction device
JPH10178220A (en) Tunnel-type superconducting junction element
JP3102936B2 (en) Superconducting device and manufacturing method thereof
JPH1126822A (en) High temperature superconduction josephson element and its manufacture
JP2977935B2 (en) Superconducting three-terminal element
JPH0831623B2 (en) Superconducting joining device
CN112289920A (en) Superconducting magnetic flux excitation switch based on SQUID array and preparation method thereof

Legal Events

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

Effective date: 20200723

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20210322