Сверхпроводящая цепь с участком слабой связи

Авторы патента:

Девятов Эдуард Валентинович (RU)

Есин Варнава Денисович (RU)

Тимонина Анна Владимировна (RU)

Колесников Николай Николаевич (RU)

Швецов Олег Олегович (RU)

H01L39/22 - приборы с переходом между различными материалами, например приборы с использованием эффекта Джозефсона

Владельцы патента RU 2717253:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)

Использование: для сверхпроводящих логических элементов вычислительной техники. Сущность изобретения заключается в том, что сверхпроводящая цепь с участком слабой связи включает два последовательно расположенных металлических сверхпроводящих контакта, нанесенных на поверхность монокристаллического магнитного топологического полуметалла Со₃Sn₂S₂. Технический результат: обеспечение возможности простого изготовления сверхпроводящей цепи с участком слабой связи. 1 ил.

Приборы и элементы схем, использующие сверхпроводящие цепи с участками слабой связи, то есть с участками, в которых реализуется эффект Джозефсона, в настоящее время вызывают растущий интерес, в частности, для применения в качестве сверхпроводящих логических элементов вычислительной техники, а также в сверхпроводящей электронике в целом.

Известно устройство, представляющее собой сверхпроводящую цепь с участком слабой связи [J.R. Williams, A.J. Bestwick, P. Gallagher, Seung Sae Hong, Y. Cui, Andrew S. Bleich, J.G. Analytis, I.R. Fisher, D. Goldhaber-Gordon. Unconventional Josephson Effect in Hybrid Superconductor-Topological Insulator Devices. Physical Rewiew Letters, 109, 056803 (2012)] - прототип, включающее два последовательно расположенных металлических сверхпроводящих контакта, нанесенных на поверхность монокристаллического топологического изолятора Bi₂Se₃, относящегося к материалам с топологически защищенным поверхностным состоянием. Между металлическими сверхпроводящими контактами имеется зазор. При охлаждении устройства, на контакты которого подан электрический ток, до гелиевых температур, металл контактов переходит в сверхпроводящее состояние, а при дальнейшем охлаждении (до 12 мК) в зазоре протекает устойчивый джозефсоновский ток. Таким образом, зазор между контактами становится участком слабой связи в сверхпроводящей цепи.

Недостатком устройства-прототипа является сложность его изготовления -для получения режима с устойчивым протеканием джозефсоновского тока в такой цепи зазор между контактами должен быть всего несколько десятков нанометров (в устройстве прототипе его длина, т.е., расстояние между металлическими контактами, составляет 45 нм), что требует использования электронной литографии при нанесении контактов на Bi₂Se₃.

Задача предлагаемого изобретения - создание простой в изготовлении сверхпроводящей цепи с участком слабой связи.

Поставленная задача решается тем, что в известной сверхпроводящей цепи с участком слабой связи, включающей два последовательно расположенных металлических сверхпроводящих контакта, нанесенных на поверхность материала с топологически защищенным поверхностным состоянием, и зазор между ними, металлические сверхпроводящие контакты находятся на поверхности монокристаллического магнитного топологического полуметалла Co₃Sn₂S₂.

Магнитный топологический полуметалл Co₃Sn₂S₂, также как и топологические изоляторы, относится к материалам с топологически защищенным поверхностным состоянием, которое, при этом, обладает выделенным направлением распространения, что радикально подавляет многочастичные процессы рассеяния в таком состоянии.

При намагничивании Co₃Sn₂S₂ в таком устройстве возникает протяженное поверхностное состояние, что дает возможность поддерживать устойчивый джозефсоновский ток при длине зазора до 5 мкм. Переход от субмикронных к микронным размерам элемента позволяет изготавливать устройство при помощи только процесса фотолитографии, что сокращает число технологических этапов изготовления устройства по сравнению с процессом с применением электронной литографии.

Пример исполнения устройства показан на Фиг. 1, где 1 - контакты из индия, 2 - зазор между контактами, 3 - монокристаллическая пластина Co₃Sn₂S₂. На поверхность монокристаллической пластины Co₃Sn₂S₂ (3), ориентированной в кристаллографической плоскости (0001), фотолитографическим способом нанесены контакты из индия (1) так, чтобы зазор между ними (2) имел длину 5 мкм.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Co₃Sn₂S₂ намагничивается во внешнем магнитном поле, плавно меняющемся от - 1 Тл до +1 Тл, поле плавно выключается, на металлические сверхпроводящие контакты подается электрический ток до 1 мА, при охлаждении устройства до температур ниже 1 К в зазоре между контактами возникает устойчивый джозефсоновский ток.

Сверхпроводящая цепь с участком слабой связи, включающая два последовательно расположенных металлических сверхпроводящих контакта, нанесенных на поверхность материала с топологически защищенным поверхностным состоянием, и зазор между ними, отличающаяся тем, что металлические сверхпроводящие контакты находятся на поверхности монокристаллического магнитного топологического полуметалла Co₃Sn₂S₂.

Использование: для приема и генерации излучения в диапазоне частот 100 ГГц - 1 ТГц. Сущность изобретения заключается в том, что криогенный перестраиваемый генератор гетеродина субтерагерцового диапазона для интегральных приемных систем на основе РДП, изготовленный на подложке из кристаллического изолирующего материала, обратная сторона которой выполнена шероховатой с размерами неоднородностей, соизмеримыми с длиной звуковой волны субтерагерцового диапазона в кристаллической подложке, согласно изобретению введены поглощающие резисторы, изготовленные из материала с удельным сопротивлением в диапазоне 2-50 мкОм⋅см, расположенные в микрополосковой линии вокруг генератора, позволяющие увеличить параметр затухания α в РДП, что обеспечивает дополнительное поглощение и тем самым подавление ступеней Фиске в резонансном режиме работы.

Сверхпроводящая квантовая решетка на основе скиф-структур // 2620760

Изобретение относится к криогенной радиоэлектронике, в том числе к активным широкополосным устройствам, и может быть использовано для приема и усиления электромагнитных сигналов в диапазоне частот от единиц герц до 10 ГГц.

Джозефсоновский фазовый доменный вентиль (варианты) // 2620027

Использование: для создания элементов быстрой криогенной памяти. Сущность изобретения заключается в том, что джозефсоновский фазовый доменный вентиль включает два расположенных на подложке друг под другом сверхпроводящих электрода с токоподводами и область слабой связи между ними в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей: промежуточный слой сверхпроводящего материала с токоподводами, толщина которого лежит в диапазоне от 20 до 60 нм, отделенный от нижнего сверхпроводящего электрода слоем изолятора; нанесенный на часть тонкого промежуточного слоя сверхпроводящего материала слой нормального металла, толщина которого лежит в диапазоне от 1 до 20 нм; слой магнитного материала, нанесенный на оставшуюся не закрытой слоем нормального металла поверхность тонкого промежуточного слоя сверхпроводящего материала, толщина которого лежит в диапазоне от 1 до 20 нм.

Джозефсоновский магнитный поворотный вентиль // 2601775

Использование: для создания джозефсоновского магнитного поворотного вентиля. Сущность изобретения заключается в том, что джозефсоновский магнитный поворотный вентиль включает два сверхпроводящих электрода с токоподводами и область слабой связи между ними в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей: промежуточный сверхпроводящий слой, отделенный от нижнего сверхпроводящего электрода слоем изолятора; нанесенный на часть промежуточного сверхпроводящего слоя слой нормального металла; слой магнитного материала, нанесенный как на слой нормального металла, так и на оставшуюся не закрытой последним поверхность промежуточного сверхпроводящего слоя с образованием границы между слоем нормального металла и слоем магнитного материала.

Способ изготовления устройства с субмикронным джозефсоновским π-контактом // 2599904

Использование: для изготовления устройства с субмикронным джозефсоновским π-контактом. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления устройства с субмикронным джозефсоновским π-контактом заключается в том, что в качестве слабой связи джозефсоновского перехода используют единичный нанопровод, сформированный из последовательно чередующихся магнитных и немагнитных участков таким образом, что магнитный участок имеет субмикронные размеры во всех направлениях X, Y, Z, где Z - направлен вдоль нанопровода, а немагнитные участки выполнены из сверхпроводящего материала или из нормального металла с большими длинами когерентности ξN, который помещают горизонтально на подложку и подводят к немагнитным участкам сверхпроводящие контакты.

Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой // 2598405

Использование: для создания сверхпроводникового джозефсоновского прибора. Сущность изобретения заключается в том, что сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой на основе тонкопленочной структуры 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 двуслойка 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.

Флаксонный баллистический детектор // 2592735

Использование: для измерения слабых магнитных потоков. Сущность изобретения заключается в том, что флаксонный баллистический детектор включает генератор одноквантовых импульсов, приемник одноквантовых импульсов со схемой сравнения, две джозефсоновские передающие линии, соединяющие генератор и приемник, соединенные сверхпроводящей перемычкой, связанной магнитным образом с объектом исследования.

Джозефсоновский 0-пи переключатель // 2554614

Изобретение относится к криогенной электронике, представляет собой джозефсоновский 0-π переключатель и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах, в устройствах сверхпроводниковой электроники.

Высокочастотный сверхпроводящий элемент памяти // 2554612

Технический результат изобретения состоит в увеличении изменения амплитуды критического тока перехода под действием малого магнитного потока по сравнению с предыдущими геометриями, что открывает возможности для миниатюризации сверхпроводящих элементов памяти.

Способ формирования тонкопленочных микромостиков // 2550749

Изобретение относится к приборам с использованием сверхпроводимости, в частности к приборам с переходом между различными материалами с использованием эффекта Джозефсона.