Сверхпроводящие джозефсоновские структуры с ферромагнитными барьерами и их возможное использование в сверхпроводящей электронике и спинтронике

Видео

Аннотация

Сверхпроводимость (S) и ферромагнетизм (F), два антагонистичных коллективных спиновых явления, могут сосуществовать в виде джозефсоновских SFS контактов (SFS JJ) [1].

Наиболее впечатляющее свойство SFS JJ — способность переходить в джозефсоновское состояние с инверсией разности сверхпроводящих фаз (Pi-состояние) [2,3]. Физической причиной инверсии сверхпроводящей фазы являются пространственные осцилляции сверхпроводящего параметра порядка в ферромагнетике, возникающие при взаимодействии куперовской пары с обменным полем [4]. Включение Pi-контакта в сверхпроводящее кольцо приводит к возникновению внутреннего фазового сдвига и спонтанного магнитного потока [5]. Это свойство делает Pi-контакт перспективным элементом сдвига фазы в джозефсоновской сверхпроводящей электронике.

Другое свойство SFS JJ — способность изменять критический ток при перемагничивании ферромагнитного слоя [1,6]. Новый элемент джозефсоновской магнитной памяти на основе SFS JJ разработан недавно в сотрудничестве с компанией HYPRES [7-9].

Большой интерес для сверхпроводящей спинтроники представляют также планарные многотерминальные джозефсоновские SF-структуры с диффузией и инжекцией спин-поляризованных носителей в область джозефсоновской слабой связи [10,11].

Было продемонстрировано, что джозефсоновские SFS структуры на основе сверхпроводящего ниобия полностью совместимы с современной джозефсоновской RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) логикой.

Эта перспективная логика имеет уникальные характеристики: высокое быстродействие (более 100 ГГц), низкие потери (<1 мкВ на переключение при 100 ГГц), высокую скорость передачи сигналов без искажений и потерь на большие расстояния.

Двумя основными проблемами этой электроники являются большой размер базисной логической ячейки и отсутствие компактной быстрой энерго-эффективной памяти, совместимой с джозефсоновскими схемами. Использование SFS JJ может помочь решить эти проблемы. Элементы быстрой джозефсоновской SFS памяти упоминались выше.

Проблема компактности базисной логической ячейки может быть решена за счет использования инверторов сверхпроводящей фазы (Pi-контактов). В работе [12] было показано, что использование Pi-контактов позволяет существенно уменьшить размер базисной RSFQ-ячейки за счет замены необходимой в обычных структурах индуктивности фазовым сдвигом.

Были показаны также перспективы использования фазовых инверторов в квантовой логике (кубитах) [13].

1. V.V. Ryazanov, УФН 169, 920 (1999).
2. V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, A.V. Veretennikov, A.A. Golubov, and J. Aarts, Phys. Rev. Lett 86, 2427 (2001).
3. V. A. Oboznov, V.V. Bol'ginov, A. K. Feofanov, V. V. Ryazanov and A.I. Buzdin, Phys. Rev. Lett. 96, 197003 (2006).
4. A.I. Buzdin, Rev. Mod. Phys. 77, 935 (2005).
5. S.M. Frolov, M.J.A. Stoutimore, T.A. Crane, D.J. Van Harlingen, V.A. Oboznov, V.V. Ryazanov, A. Ruosi, C. Granata, and M. Russo, Nature Physics 4, 32 (2008).
6. В.В. Больгинов, В.С. Столяров, Д.С. Собанин, А.Л. Карпович, В.В. Рязанов, Письма в ЖЭТФ 95, 408 (2012).
7. V.V. Ryazanov, V.V. Bol’ginov, D.S. Sobanin, I.V. Vernik, S.K. Tolpygo, A.M. Kadin, and O.A. Mukhanov, Phys. Procedia 36, 35 (2012).
8. T.I. Larkin, V.V. Bol’ginov, V.S. Stolyarov, V.V. Ryazanov, I.V. Vernik, S.K. Tolpygo, O.A. Mukhanov, Appl. Phys. Lett. 100, 222601 (2012).
9. I.V. Vernik, V.V. Bol'ginov, S.V. Bakurskiy, A.A. Golubov, M.Yu. Kupriyanov, V.V. Ryazanov, and O.A. Mukhanov, IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 1701208 (2013).
10. T.E. Golikova, F. Hübler, D. Beckmann, I.E. Batov, T.Yu. Karminskaya, M.Yu. Kupriyanov, A.A. Golubov, and V.V. Ryazanov. Phys. Rev. B 86, 064416 (2012).
11. T.E. Golikova, M.J. Wolf, D. Beckmann, I.E. Batov, I.V. Bobkova, A.M. Bobkov, and V.V. Ryazanov. Phys. Rev. B 89, 104507 (2014).
12. M. I. Khabipov, D.V. Balashov, F. Maibaum, A.B. Zorin, V.A. Oboznov, V.V. Bolginov, A.N. Rossolenko and V.V. Ryazanov. Superconductor Science and Technology, 23, 045032 (2010).
13. A.K. Feofanov, V.A. Oboznov, V.V. Bol’ginov, J. Lisenfeld, S. Poletto, V.V. Ryazanov, A.N. Rossolenko, M. Khabipov, D. Balashov, A.B. Zorin, P.N. Dmitriev, V.P. Koshelets and A. V. Ustinov. Nature Physics 6, 593 (2010).