Сверхпроводящая цепь с эффектом близости

Авторы патента:

Колесников Николай Николаевич (RU)

Тимонина Анна Владимировна (RU)

Девятов Эдуард Валентинович (RU)

Есин Варнава Денисович (RU)

Бараш Юрий Семенович (RU)

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

Владельцы патента RU 2753673:

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

Устройство относится к сверхпроводящим цепям с эффектом близости, позволяющим управлять спектром связанных Андреевских состояний. Предлагается сверхпроводящая цепь с эффектом близости, включающая монокристаллическую пластину силицида кобальта CoSi, ориентированную в кристаллографической плоскости (001), на которую нанесены контакты из ниобия. Устройство позволяет управлять спектром связанных Андреевских состояний при приложении магнитного поля, вектор индукции которого параллелен плоскости (001) CoSi, а величина индукции изменяется в интервале 0-1,9 Тл. Технический результат - обеспечение возможности управления спектром САС в магнитных полях. 3 ил.

Приборы и элементы схем, использующие сверхпроводящие цепи с эффектом близости, то есть с участками, в которых реализуется эффект возникновения сверхпроводимости при контакте несверхпроводящих материалов со сверхпроводниками, в настоящее время вызывают растущий интерес, в частности, для применения в качестве сверхпроводящих логических элементов вычислительной техники, а также в сверхпроводящей электронике в целом.

Предлагаемое устройство относится к сверхпроводящим цепям с эффектом близости, позволяющим управлять спектром связанных Андреевских состояний (САС).

Известно устройство, представляющее собой сверхпроводящую цепь с эффектом близости [Т. Dvir, М. Aprili, С. Н. L. Quay, Н. Steinberg. Zeeman Tunability of Andreev Bound States in van der Waals Tunnel Barr. Physical Review Letters 123, 217003 (2019)] - прототип, состоящее из тонкой (толщиной 2-50 нм) пластины гексагональной модификации диселенида ниобия 2H-NbSe₂ на которую нанесены несколько слоев диселенида вольфрама, в которых за счет дефектов созданы квантовые точки, а на WSe₂ нанесен золотой электрод, причем пластина NbSe₂ также имеет омический контакт для включения устройства в цепь. Это устройство позволяет управлять спектром связанных Андреевских состояний в магнитном поле за счет эффекта Зеемана. Управление спектром позволяет симметрично смещать пики, соответствующие САС, в распределениях дифференциального сопротивления dV/dI по напряжению смещения V вплоть до объединения САС при V=0. Основной недостаток устройства-прототипа - высокая сложность его изготовления, приводящая к проблемам с воспроизводимостью характеристик устройства. Диселенид ниобия имеет четыре основных кристаллографических модификации - три гексагональных, отличающихся количеством слоев, и одну тригональную с ромбоэдрической решеткой. При получении кристаллов и пленок 2H-NbSe₂ практически всегда образуются дефекты в виде прослоек других модификаций, что приводит к снижению критической температуры перехода NbSe₂ в сверхпроводящее состояние. Это, в свою очередь, изменяет характеристики структуры NbSe₂/WSe₂/Au. Нанесение практически двумерного слоя WSe₂ на NbSe₂ с созданием в WSe₂ квантовой точки является нетривиальной задачей, решение которой осуществимо в лабораторных условиях для получения отдельных образцов, но слишком сложно для воспроизводимого изготовления структур NbSe₂/WSe₂/Au.

Задача предлагаемого изобретения - создание простой в изготовлении сверхпроводящей цепи с эффектом близости.

Поставленная задача решается тем, что в сверхпроводящей цепи с эффектом близости, включающей металлические контакты, металлические контакты выполнены из ниобия и нанесены на монокристаллическую пластину силицида кобальта CoSi, ориентированную в кристаллографической плоскости (001).

Такое устройство является простым в изготовлении и его характеристики хорошо воспроизводятся при изготовлении серии одинаковых структур Nb/CoSi.

Предлагаемое устройство позволяет управлять спектром связанных Андреевских состояний в магнитном поле за счет эффекта Зеемана. Управление спектром позволяет симметрично смещать пики, соответствующие САС, в распределениях дифференциального сопротивления dV/dI по напряжению смещения V вплоть до объединения пиков САС при V=0.

На Фиг. 1 показана зависимость дифференциального сопротивления dV/dI от напряжения смещения V для структуры Nb/CoSi в параллельном магнитном поле. Кривая 1 соответствует величине индукции магнитного поля В=0 Тл, кривая 2-В=1 Тл, кривая 3-В=1,4 Тл и кривая 4-В=1,9 Тл. Стрелками показаны симметричные относительно V=0 пики САС. Из данных на графике хорошо видно, что с ростом величины индукции магнитного поля пики САС управляемо смещаются. При V=0 обеспечивается слияние пиков САС.

Эти результаты получены экспериментально: при исследовании транспортных свойств кристаллов кирального топологического полуметалла CoSi с контактами из сверхпроводящих металлов было обнаружено проявление эффекта близости, выражающегося в возникновении сверхпроводимости в поверхностном слое монокристаллического CoSi, ориентированного в плоскости (001). Применение ниобия в качестве сверхпроводящего металла позволило разработать устройство, позволяющее управлять спектром САС в магнитных полях.

На фиг. 2 показана фотография монокристалла CoSi, выращенного химическим транспортом паров. Красным маркером на поверхности кристалла отмечена плоскость (001), которая является и одной из плоскостей естественной огранки силицида кобальта, и плоскостью спайности в кристаллах CoSi.

Пример исполнения устройства и электрической схемы его подключения показан на Фиг. 3, где 1 - монокристаллическая пластина CoSi, ориентированная в кристаллографической плоскости (001); 2 - контакты из ниобия; 3 - источник электрического тока; 4 - прибор для измерения напряжения; 5 - фазочувствительный усилитель для измерения переменной компоненты модулированного сигнала при измерении зависимостей dV/dI от напряжения V, 6 - заземление.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. После подключения структуры CoSi/Nb в соответствии с Фиг. 3 устройство помещается в магнитное поле, вектор индукции которого направлен параллельно плоскости (001) в монокристаллической пластине CoSi. Управление спектром САС осуществляется путем изменения величины индукции магнитного поля в диапазоне 0-1,9 Тл, изменения регистрируются путем измерения зависимости dV/dI от напряжения смещения V. При величине индукции в 1,9 Тл происходит слияние пиков САС.

Сверхпроводящая цепь с эффектом близости, включающая металлические контакты, отличающаяся тем, что металлические контакты выполнены из ниобия и нанесены на монокристаллическую пластину силицида кобальта CoSi, ориентированную в кристаллографической плоскости (001).

Изобретение относится к криогенной микро- и наноэлектронике, в том числе к элементной базе искусственных нейросетей. Технический результат заключается в повышении быстродействия и энергоэффективности сверхпроводящего нейрона.

Квантовый датчик и способы для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля (варианты) // 2733701

Использование: для создания квантовых датчиков магнитного поля с оптической накачкой. Сущность изобретения заключается в том, что квантовый датчик для измерения поперечной компоненты слабого магнитного поля состоит из ячейки, содержащей парамагнитные атомы щелочного металла в газообразном состоянии, а также буферный газ, термостат, схему оптической накачки, при этом содержит схему детектирования, выполненную с возможностью детектирования вариаций поперечных компонент магнитного поля без возбуждения магнитного резонанса в углу поворота азимута поляризации пробного луча в ячейке непосредственно на частоте вариаций магнитного поля, где угол поворота пропорционален компоненте магнитного поля, направленного вдоль оси пробного луча.

Сверхпроводящая цепь с участком слабой связи // 2717253

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.

Криогенный перестраиваемый генератор гетеродина субтерагерцового диапазона для интегральных приёмных систем // 2638964

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. Сверхпроводящая квантовая решетка на основе СКИФ-структур содержит две соединенные дифференциально последовательные цепочки СКИФ-структур, состоящих из параллельно соединенных джозефсоновских контактов, средство задания магнитного поля смещения, подключенное индуктивным образом к каждой СКИФ-структуре, сверхпроводящий трансформатор и средства задания постоянного тока питания и измерения напряжения.

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.