сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом

Формула изобретения

1. Сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом, включающий образованную на подложке область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной структуры, связанной с электродами из сверхпроводника, отличающийся тем, что

тонкопленочная структура состоит из слоев ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал,

электроды из сверхпроводника присоединены к противолежащим боковым граням тонкопленочной структуры, причем

направления намагниченности слоев ферромагнитного материала лежат в плоскости тонкопленочной структуры, а сами слои выполнены с возможностью разворота указанных направлений намагниченности относительно друг друга.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что слои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе.

4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa₂Cu₃O _7-x, где Re - редкоземельный металл.

5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала использованы Ni, Со, Fe или металлические сплавы на их основе.

6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве нормального металла использован элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.

7. Прибор по п.5, отличающийся тем, что толщина слоя ферромагнитного материала составляет 10-100 нм.

8. Прибор по п.6, отличающийся тем, что толщина слоя нормального металла составляет 10-100 нм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.

Описано большое число конструкций сверхпроводящих приборов, основанных на эффекте Джозефсона (далее - СПД), которые перспективны для использования в различных слаботочных сверхпроводящих устройствах (устройства быстрой одноквантовой логики, приемно-передающие устройства, магнитометрические устройства). Эффект Джозефсона возникает в области т.н. «слабой связи», образующейся в месте контакта двух сверхпроводников через несверхпроводящий материал с любым типом проводимости. При этом основной проблемой реализации является подбор физико-химических характеристик материалов слоев, обеспечивающих как высокие значения критического тока I_c при заданном расстоянии L между сверхпроводниками, так и возможность управления величиной и знаком I_с.

Традиционно известные СПД представляют собой сформированную на диэлектрической подложке многослойную тонкопленочную структуру, включающую сверхпроводник, изолирующие, барьерные и функциональные слои. В зависимости от назначения и конструктивного исполнения осуществляется выбор материалов подложек и самих активных сред.

Так, описан СПД, образованный на монокристаллической диэлектрической подложке и имеющий три слоя: два слоя из сверхпроводника YВа ₂Cu₃О_7-x (YBCO), один из которых - нижний - размещен непосредственно на подложке, разделенные барьерным слоем (US 6541789, Sato, et al., 01.04.2003). Слабая связь образована на торце одного из сверхпроводников.

Известен СПД (JP 3190175, YUZURIHARA et al., 20.08.1991), представляющий собой устройство с четырьмя токоподводами, в котором ток, задаваемый через одну из пар токоподводов, переводит в ферромагнитное состояние имеющуюся внутри устройства пленку из антиферромагнитного вещества, не находящегося в области джозефсоновского контакта. Возникающий при этом магнитный момент создает магнитное поле, приводящее к подавлению критического тока джозефсоновского элемента, расположенного между двумя другими токоподводами устройства, и к генерации на нем импульса напряжения.

Известен также СПД, предназначенный для управления потоком электронов и имеющий многослойную структуру «сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник» и не использующий диэлектрические барьерные слои (US 6995390, Tsukui, 07.02.2006).

Известен СПД, предназначенный для управления критическим током пятислойных двухбарьерных джозефсоновских переходов, в которых расположенный внутри барьеров материал содержит ферромагнитную пленку. Ее назначение состоит в обеспечении зеемановского расщепления резонансных уровней электронов во внутрибарьерной области с целью осуществления контроля величины критического тока структуры посредством управления положением расщепленных уровней относительно энергии Ферми электродов напряжением, приложенным к дополнительным управляющим контактам структуры (US 6344659, Ivanov et al., 05.02.2002 - ближайший аналог).

Анализ уровня техники показывает, что известные устройства с джозефсоновскими переходами, в том числе ближайший аналог, обычно предусматривают задание тока по толщине композитной области слабой связи, то есть в направлении, перпендикулярном плоскости многослойной тонкопленочной структуры. Такие устройства обладают существенными недостатками в части управления параметрами тока за счет взаимной экранировки полей слоями самой же структуры (например, одного ферромагнитного слоя другим), а также малыми глубинами проникновения сверхпроводящего состояния по отношению к одноименным в нормальном металле.

Задачей изобретения является СПД, конструкция которого позволяет устранить указанные недостатки, а именно обеспечить более эффективное управление критическим током джозефсоновских переходов посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов его протекания.

Задача решена тем, что сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом включает образованную на подложке область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной структуры, связанной с электродами из сверхпроводника. Тонкопленочная структура состоит из слоев ферромагнитный материал - нормальный металл - ферромагнитный материал. Электроды из сверхпроводника присоединены к противолежащим боковым граням тонкопленочной структуры, причем направления намагниченности слоев ферромагнитного материала лежат в плоскости тонкопленочной структуры, а сами слои выполнены с возможностью разворота указанных направлений намагниченности друг относительно друга.

Прибор может характеризоваться тем, что слои ферромагнитного материала имеют различающиеся значения коэрцитивного поля, а также тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе, и тем, что в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa₂Cu₃ О_7-х, где Re - редкоземельный металл.

Прибор может характеризоваться, кроме того, тем, что в качестве ферромагнитного материала использованы Ni, Со, Fe или металлические сплавы на их основе, и тем, что в качестве нормального металла использован элемент из группы Cu, Au, Al, Pt.

Прибор может характеризоваться также тем, что толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла составляют 10-100 нм.

Технический результат изобретения - возможность независимого изменения направлений намагниченности слоев, управления величиной, периодом осцилляции и направлением задания тока через СПД за счет организации трех независимых каналов его протекания. Это реализуется посредством структуры СПД с новой конфигурацией слоев в композитной области: S-(FNF)-S, где S, N, F - слои сверхпроводника, нормального металла и ферромагнетика соответственно. В этой топологии обеспечивается задание сверхпроводящего тока в направлении, параллельном FN-границам композитной области слабой связи в S-(FNF)-S структуре.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 представлена конструкция патентуемого прибора;

на фиг.2, 3 - зависимость мнимой и действительной части волнового вектора q₃ от величины обменной энергии одного из слоев ферромагнетика соответственно;

на фиг.4 - зависимость критического тока от расстояния между сверхпроводящими электродами;

на фиг.5 - то же, что на фиг.4, для фиксированного значения расстояния;

на фиг.6 - зависимость нормированной части критического тока от нормированного значения обменной энергии.

Сверхпроводящий прибор (см. фиг.1) включает подложку 1. На ее поверхности образована многослойная тонкопленочная структура, состоящая из первого слоя 2 ферромагнитного материала, слоя 3 нормального металла и второго слоя 4 ферромагнитного материала. Ферромагнитные пленки должны быть монодоменными, технология изготовления их известна. Слои 2, 4 ферромагнитного материала должны обладать различающимися величинами коэрцитивных полей, что позволяет разворачивать направления намагниченности в слоях относительно друг друга. Это может быть обеспечено, например, изготовлением слоев 2 и 4 с несколько различающимися толщинами (˜30%) или шириной пленки, а также выбором материала подложки 1 или нормального металла в слое 3.

Противолежащие боковые грани структуры подсоединены к электродам 5 из сверхпроводника и токоподводам 6. Вследствие этого сверхпроводящий ток, подаваемый через токоподводы 6 к электродам 5, одновременно протекает по трем независимым каналам FNF-структуры длиной L, образованным слоями 2, 3, 4. Боковые грани 7 структуры подсоединены к электродам 5 из сверхпроводника.

В качестве составляющих FNF-структуры, пригодных для реализации патентуемого устройства, могут быть использованы материалы, применяемые в технологии криоэлектронных материалов и известные специалистам. Например, в качестве подложки 1 могут быть использованы любые стандартные подложки (например, кремний, сапфир и пр.). В качестве ферромагнитных материалов слоев 2, 4 - чистые ферромагнетики Ni, Со, Fe или ферромагнитные сплавы на их основе: Pt _xFe_1-x, Pt_x Ni_1-x, Pt_xCo _1-x, Pd_xFe_1-x , Pd_xNi_1-x, Pd _xCo_1-x, Cu_x Ni_1-x; в качестве слоя 3 нормального металла - Cu, Au, Al, Pt. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 5 - ниобий, нитрид ниобия, либо MgB₂ и соединения на его основе, либо высокотемпературные сверхпроводники на основе редкоземельных купратов общей формулы ReBa ₂Cu₃O_7-х, где Re - редкоземельный металл, или других оксидов (см., например, US 6011981, Alvarez et al., 04.01.2000), технология нанесения слоев которых на подложках известна. Оценки показывают, что типичные толщины слоев ферромагнитного материала и нормального металла для патентуемой топологии составляют 10-100 нм и находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.

Сверхпроводящий прибор функционирует следующим образом. При подаче тока через токоподводы 6 к электродам 5 из сверхпроводника сверхпроводящий ток одновременно протекает по трем независимым каналам FNF-структуры длиной L, образованным слоями 2, 3, 4. При этом происходит перенос инжектированных через одну из боковых граней 7 куперовских пар в противоположный сверхпроводящий электрод 5, что и обеспечивает протекание заданного сверхпроводящего тока через структуру.

Обоснование достижения технического результата, а также требования к выбору параметров подложки, материалов слоев, образующих структуру, и физические принципы, лежащие в основе изобретения, поясняются приведенными численными расчетами, результаты которых приведены на фиг.2-6.

На фиг.2, 3 изображена зависимость мнимой (фиг.2) и действительной (фиг.3) частей волнового вектора q₃ от величины обменной энергии H ₂ одного из слоев 2, 4 ферромагнетика при постоянном значении обменной энергии другого ферромагнетика Н₁ / Т_С=30. Зависимость рассчитана в рамках уравнений микроскопической теории сверхпроводимости для нескольких значений параметра z=( _N/ _F)²=50, 150, 300, 600 и _N/ _N=4, _N/ _F=10, Т=0.5T_С . Здесь: Т_С - критическая температура сверхпроводящих электродов, _N и _F - длины проникновения сверхпроводящего состояния из сверхпроводников в нормальный и ферромагнитный материалы соответственно.

Параметры _N= _N( _N)^1/2 и _F= _F( _F)^1/2 характеризуют коэффициент связи между F и N слоями. ( _F= _Вd_f/ _F; _N= _Bd_n/ _N; = _{N N}/ _{F F}; _B=R_BA/ _{F F}, R_B и A - сопротивление и площадь FN-границ, _N и _F - удельные сопротивления F и N материалов). Видно, что в случае антипараллельной ориентации намагниченностей F пленок значение Imq₃ строго обращается в ноль при H₂=-Н ₁ для всех значений параметров. Положение второй точки на оси Н₂, в которой Imq ₃=0, зависит от параметра z и может находиться как левее, так и правее значения H₂=-Н ₁.

Полученный результат свидетельствует о том, что изменением направления вектора намагниченности одной из ферромагнитных пленок на противоположное направление можно перейти от режима с осциллирующей зависимостью критического тока I _C(L) к режиму, в котором осцилляции отсутствуют полностью. При заданном расстоянии L между сверхпроводниками и заданной температуре такой переход может сопровождаться либо изменением знака I_C(L), либо увеличением в несколько раз величины I_C(L), либо одновременным проявлением этих двух эффектов. Наличие двух значений H ₂, при которых имеет место данный эффект, означает, что реализация переключения достигается тремя способами: либо в результате полного перемагничивания одной из пленок (H₂ =-H₁), либо частичного перемагничивания (H₂<-H₁), либо дополнительного намагничивания в противоположном направлении (H₂>-H₁).

На фиг.4 представлены зависимости величины компонент критического тока структуры от расстояния L между электродами 5, рассчитанные численно при Н₁/ Т_С=30, z=( _N/ _F)²=300, _N/ _N=4, _N/ _F=10, Т=0.5Т_С , _BF/ _BN=1, и значениях Н ₂/ Т_С=30, -10, -30, -78.4 ( _BF=R_BFA _F/ _{F F}; _BF=R_BNA _N/ _{N N}; R_BF-R _BN и A_F-А_N - сопротивление и площадь SF и SN-граней соответственно). На фиг.5 дана зависимость нормированной части критического тока I_C1 рассчитанная для H₂ / T_C=30 при тех же значениях параметров. Видно, что в рассматриваемом случае компоненты критического тока I_C1 и I_C2=I _C1 оказываются существенно меньше слагаемого I _С3 и убывают с ростом L существенно быстрее. Видно также, что в практически интересном случае L> _N вклад в критический ток от I _C1 и I_С2 пренебрежимо мал, так что с экспоненциальной степенью точности I_С =I_С3. Критический ток экспоненциально падает с ростом L и испытывает осцилляции, связанные с переходом структуры из 0 в состояния на длине порядка (Imq₃ )^-1 _N»(Imq₁) ^-1, (Imq₂)^-1 _F. Осцилляции исчезают при Н ₂=-Н₁ и Н₂/ Т_С=-( _F ²H ₁/ T_C)^-1=-78.4.

Отсюда следуют важные в практическом плане выводы о том, что в данной области параметров при L> _N как величина, так и знак критического тока структуры с экспоненциальной степенью точности определяются лишь одной компонентой тока I_С3. Эта компонента всегда положительна в области малых L< _N и испытывает затухающие осцилляции с ростом L. Смена знака I_С3 происходит при каждом проходе зависимости I_c3(L) через ноль, приводя к чередованию 0 (I_C3>0) и (I_С3<0) состояний. Как характерный масштаб затухания (Req₃) ^-1, так и период осцилляции (Imq₃ )^-1 критического тока I _С=I_С3(L) существенно (на два - три порядка) превосходят аналогичные параметры, достигнутые в SFS, SFSF и SFNS джозефсоновских структурах в геометрии с заданием тока перпендикулярно FN и SF границам (см., например, V.V.Ryazanov, V.A.Oboznov, A.Yu.Rusanov, A.V.Veretennikov, A.A.Golubov, and JAarts, // Phys. Rev. Lett., v.86, 2427 (2001); VA.Oboznov, V.V.Bol'ginov, A.K.Feofanov, V.V.Ryazanov, and A.Buzdin// Phys. Rev. Lett., v.96, 197003 (2006)).

На фиг.6 представлена зависимость нормированной части модуля критического тока |I _{С3 BN}eR_BN/2 T| от нормированного значения обменной энергии Н ₂/ Т_С при H₁/ T_C=30, z=( _N/ _F)=300, _N/ _N=4, _N/ _F=10, Т=0.5T_C , _BF/ _BN=1, рассчитанная для значений L/ _N=0.1, 2, 3, 4, с коэффициентами сжатия на графике 10, 1, 0.2, 0.01 соответственно. Параметр z=300 выбран таким образом, чтобы период осцилляции критического тока при H₂=Н₁ был минимальным (см. фиг.2).

Как следует из графика, при L/ _N =0.1 структура всегда находится в 0-состоянии. Поэтому при переключении из Н₂ =Н₁ в Н₂=-H ₁ не происходит изменение знака I_С3 , но наблюдается практически трехкратное увеличение критического тока. При Н₂=Н₁ и L/ _N=1, 2 джозефсоновский переход находится в -состоянии (см. фиг.4). В этом случае переключение из Н ₂=Н₁ в Н₂=-Н ₁ приводит к переходу из - в 0-состояние. При таком переключении I _c возрастает примерно в 7 раз для L/ _N=1 и в 3 раза для L/ _N=2. Наконец, в случае L/ _N=4 при Н₂=H ₁ система находится в 0-состоянии и переключение из H ₂=H₁ в Н₂=-Н ₁ приводит к трехкратному увеличению критического тока, не сопровождающегося сменой его знака.

Видно, что переход из 0 в -состояние возможен, если Н₂ лежит в диапазоне от 4 T_C до 15 T_C. При смене знака Н ₂ с H₁ на -Н₁ критический ток возрастает примерно в 6 раз. Указанные факты обосновывают возможность управления как величиной, так и знаком критического тока посредством изменения направления намагниченности одной из ферромагнитных пленок структуры на противоположное. Они также свидетельствуют о том, что изменение знака Н ₂ сопровождается усилением критического тока структуры.

Приведенные данные показывают, что при переходе от ферромагнитной конфигурации (Н₂=H₁ ) к антиферромагнитной геометрии (Н₂=-H ₁) критический ток I_С структуры может существенно возрастать, особенно вблизи перехода между "0" и " " состояниями. Вдали от точек перехода коэффициент усиления может достигать одного порядка, что обусловлено изменением характерной длины спадания критического тока.

Таким образом, в джозефсоновских структурах с топологией S-FNF-S возможно не только эффективное увеличение (по сравнению с SFS топологией) эффективной длины спадания критического тока и периода его осцилляции до длин масштаба _N, но и управление как величиной, так и знаком I_С.