Сверхпроводниковый усилитель тока на основе эффекта джозефсона

 

Использование: в сверхпроводниковой электронике, в сверхпроводниковых интегральных схемах, в качестве усилителя в сверхпроводящих квантовых измерителях магнитного потока и для их создания. Сущность изобретения: усилитель состоит из длинного элемента Джозефсона с сэндвичной структурой, включающего последовательно расположенные на подложке первый электрод, тонкий слой изолятора, полупроводника или нормального металла (зона слабого связывания), второй электрод, и дополнительного элемента Джозефсона, образованного вторым электродом, дополнительным тонким слоем изолятора, полупроводника или нормального металла (зона слабого связывания) и третьим сверхпроводящим электродом. Сверхпроводящие выводы для подачи входного тока соединены с узкими краями второго электрода, а сверхпроводящие выводы для подачи выходного тока соединены с широкими сторонами первого и третьего электродов. Размеры элементов Джозефсона, составляющих усилитель тока, близки или равны. Их длина больше, а ширина меньше их джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля. Ширина второго электрода близка или равна ширине переходов Джозефсона, а длина первого и третьего электродов близка или равна длине переходов Джозефсона. Толщина сверхпроводящих слоев, образующих усилитель, меньше или близка к их лондоновской глубине проникновения магнитного поля. Усилитель обеспечивает коэффициент усиления по току, пропорциональный квадрату отношения длины и джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля составляющих его элементов Джозефсона и достигающий величины 10. 2 ил.

Изобретение относится к сверхпроводниковой электронике и может быть использовано в сверхпроводниковых интегральных схемах, в качестве усилителей в сверхпроводящих квантовых измерителях магнитного потока (СКИМП) и для создания СКИМПов.

При создании цифровых интегральных схем, а также аналоговых приборов на основе эффекта Джозефсона применяются устройства, в которых величина критического тока через один или несколько переходов Джозефсона управляется входным током.

Известен сверхпроводниковый усилитель тока, содержащий сверхпроводниковый интерферометр, индуктивно связанный со сверхпроводящей катушкой, имеющей большую по отношению к нему индуктивность [1] Коэффициент усиления по току, т.е. отношение изменения критического тока интерферометра к вызвавшему его изменению входного тока сверхпроводящей катушки, при оптимальных параметрах близко к корню квадратному из отношения индуктивностей катушки и интерферометра.

Недостатком данного устройства для применения в микроэлектронике является относительно большая площадь, им занимаемая.

Известен принимаемый за прототип [2] сверхпроводниковый усилитель тока на основе эффекта Джозефсона, включающий длинный, т.е. длиной L, большей, и шириной w, меньшей джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля λ_j, элемент Джозефсона с сэндвичной структурой, содержащий сверхпроводящий слой, служащий базовым электродом, сверхпроводящий слой, служащий противоэлектродом, и расположенную между ними зону слабого связывания, сверхпроводниковые выводы для подачи выходного тока, подведенные к широким сторонам базового электрода и противоэлектрода, и сверхпроводниковый вывод для подачи входного тока, подведенный к узкой стороне базового электрода, причем длины базового электрода и противоэлектрода равны или близки к длине зоны слабого связывания, а их толщина меньше или ближе к величине лондоновской глубины проникновения магнитного поля.

Недостатком этого усилителя является то, что при длине перехода Джозефсонa L, большей двух длин джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля λ_j, ее дальнейшее увеличение не приводит к увеличению коэффициента усиления β и не позволяет получить коэффициент усиления по току заметно больше двух.

Изобретение позволяет создавать усилитель с коэффициентом усиления по току, пропорциональными квадрату отношения длины и джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля составляющих его элементов Джозефсона и достигающим величины 10³.

Это достигается тем, что в сверхпроводниковом усилителе тока на основе эффекта Джозефсона, включающем длинный элемент Джозефсона с сэндвичной структурой, содержащий сверхпроводящий слой, служащий первым (базовым) электродом, сверхпроводящий слой, служащий вторым электродом (противоэлектродом), и расположенный между ними тонкий слой изолятора, полупроводника или нормального металла (зона слабого связывания) и сверхпроводящие выводы для подачи входного и выходного тока при толщине сверхпроводящих слоев, меньшей или близкой к их лондоновской глубине проникновения магнитного поля, новым является то, что он дополнительно содержит второй элемент Джозефсона, который расположен на верхней стороне второго электрода (противоэлектрода) первого элемента Джозефсона, образован этим вторым электродом (противоэлектродом), дополнительным тонким слоем изолятора, полупроводника или нормального металла (зона слабого связывания) и дополнительным третьим сверхпроводящим электродом и близок или совпадает по размерам с первым элементом Джозефсона, причем их длина больше, а ширина меньше их джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля, ширина второго электрода (противоэлектрода) близка или равна ширине элементов Джозефсона, а длина первого и третьего электродов близка или равна длине элементов Джозефсона, сверхпроводящие выводы для подачи входного тока подведены к узким краям второго электророда (противоэлектрода), а сверхпроводящие выводы для подачи выходного тока подведены к широким сторонам первого (базового) и третьего (дополнительного) электродов.

Выполнение усилителя указанным способом позволяет получить большой коэффициент усиления по току при нулевом входном сопротивлении за счет использования дополнительного перехода Джозефсона для инжекции выходного тока во второй электрод (противоэлектрод) и за счет того, что выводы для подачи входного тока составляют единое целое с вторым электродом (противоэлектрордом). Предлагаемая конструкция позволяет исключить экранирование выводами для подачи выходного тока магнитного поля, создаваемого входным током в переходе, которое имеет место в конструкции, предложенной в прототипе.

На фиг. 1 приведен предлагаемый сверхпроводниковый усилитель тока; на фиг.2 приведена схема его включения.

Усилитель 1 содержит длинный элемент Джозефсона с сэндвичной структурой, включающий последовательно расположенные на подложке 2 первый (базовый) электрод 3, тонкий слой 4 изолятора, полупроводника или нормального металла (зону слабого связывания), второй электрод (противоэлектрод) 5, и дополнительный элемент Джозефсона, образованный вторым электродом (противоэлектродом) 5, дополнительным тонким слоем 6 изолятора, полупроводника или нормального металла (зоной слабого связывания) и третьим (дополнительным) сверхпроводящим электродом 7. Сверхпроводящие выводы 8 для подачи входного тока I_вх соединены с узкими краями второго электрода (противоэлектрода) 5, а сверхпроводящие выводы 9 для подачи выходного тока I_вых соединены с широкими сторонами первого (базового) 3 и третьего (дополнительного) 7 электродов.

В конкретном варианте сверхпроводниковый усилитель изготовляется методами напыления и литографии. В качестве сверхпроводящих слоев могут быть, например, использованы пленки ниобия, в качестве подложки пластина кремния, а в качестве зоны слабого связывания окись алюминия. В этом случае первый (базовый) электрод методами литографии изготовляется из сверхпроводящей пленки ниобия, напыленной на кремниевую подложку, заодно с выводом для подачи выходного тока. Зона слабого связывания первого перехода Джозефсона образуется напылением на базовый электрод тонкого слоя алюминия с его последующим окиcлением. Второй электрод (противоэлектрод) образуется методом литографии заодно с выводами для подачи входного тока из сверхпроводящей пленки ниобия, напыленной поверх окиси алюминия (зоны слабого связывания). Дополнительная зона слабого связывания образуется напылением на противоэлектрод тонкого слоя алюминия с его последующим окислением. Третий (дополнительный) электрод образуется методом литографии заодно с выводом для подачи выходного тока из сверхпроводящей пленки ниобия, напыленной поверх дополнительного слоя окиси алюминия (зоны слабого связывания).

Предлагаемый усилитель тока работает следующим образом.

На выводы 8 для подачи входного тока подается входной ток I_вх. Протекая вдоль второго электрода (противоэлектрода) 4, он изменяет величину критического тока переходов Джозефсона. Ток смещения I_смраспределяется между выходом усилителя и шунтирующим его сопротивлением R_ш 10, по величине меньшим или близким к величине сопротивления переходов Джозефсона в резистивном состоянии R_вых (фиг.2). Величина тока смещения выбирается такой, чтобы на выходе усилителя было небольшое напряжение конечной величины. Изменение выходного тока I_вых., проходящего через оба перехода Джозефсона, происходит в результате перераспределения тока смещения между шунтом и выходом усилителя вследствие изменения величины критического тока переходов Джозефсона I_с. Наилучший результат достигается при сопротивлении шунта, много меньшем выходного сопротивления усилителя, которое равно сопротивлению образующих его переходов Джозефсона в резистивное состоянии, R_ш << R_вых. В этом случае величина выходного тока близка к величине критического тока переходов Джозефсона I_вых ≃ I_с и величина коэффициента усиления, определяемого как отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока β= Δ I_вых/Δ I_вх, близка к отношению изменения критического тока к вызвавшему его изменению входного тока, β ≃ ΔI_c/ΔI_вх. Как показали вычисления, величина коэффициента усиления зависит от величины входного тока I_вх. Например, в усилителе, образованном элементами Джозефсона с одинаковой величиной плотности критического тока I_с, при I_вх, близкой к величине, определяемой выражением 2^3/2 λ_jj_c, коэффициент усиления достигает максимальной величины, равной 2^-1/2(L/ λ_j)². Эта величина пропорциональна плотности критического тока переходов j_с, квадрату длины переходов Джосефсона, (L², квадрату лондоновской глубины проникновения магнитного поля λ_L² и обратно пропорциональна толщине второго электрода (противоэлектрода) d. Например, при использовании переходов Джосефсона ниобий окись алюминия ниобий длиной L 30 мкм с плотностью критического тока 10⁵ А/см², толщиной второго электрода (противоэлектрода) d 0,02 мкм величина коэффициента усиления равна 870.

Формула изобретения

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ДЖОЗЕФСОНА, включающий длинный элемент Джозефсона с сэндвичной структурой, содержащий сверхпроводящий слой, служащий первым электродом, сверхпроводящий слой, служащий вторым электродом, и расположенный между ними и связывающий их тонкий слой изолятора, полупроводника или нормального металла, и сверхпроводящие выводы для подачи входного и выходного тока при толщине сверхпроводящих слоев, меньшей или близкой к их лондоновской глубине проникновения магнитного поля, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй элемент Джозефсона, который расположен на верхней стороне второго электрода первого элемента Джозефсона, образован этим вторым электродом, дополнительным тонким слоем изолятора, полупроводника или нормального металла и третьим сверхпроводящим электродом и близок или совпадает по размерам с первым элементом Джозефсона, причем ширина второго электрода близка или равна ширине элемента Джозефсона, а длина первого и третьего электродов близка или равна длине элемента Джозефсона, сверхпроводящие выводы для подачи входного тока подведены к узким краям второго электрода, а сверхпроводящие выводы для подачи выходного тока подведены к широким сторонам первого и третьего электродов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2