Сверхпроводниковый спиновый вентиль

Изобретение направлено на более сильное подавление критической температуры сверхпроводящей пленки управляющим элементом при неколлинеарном направлении векторов намагниченности ферромагнитных слоев. Сущность изобретения: сверхпроводниковый спиновый вентиль включает сверхпроводящую пленку и размещенную на ней структуру для управления критической температурой сверхпроводящей пленки, состоящую из первого слоя, примыкающего к сверхпроводящей пленке, и второго слоя ферромагнетика, разделенных прослойкой из неферромагнитного материала. Первый слой ферромагнетика размещен непосредственно на сверхпроводящей пленке с обеспечением гальванического контакта с последней. Введен размещенный на поверхности второго слоя ферромагнетика слой антиферромагнетика с возможностью фиксации направления вектора намагниченности второго слоя ферромагнетика и разворота вектора намагниченности в первом слое ферромагнетика и генерации максимума амплитуды триплетной сверхпроводящей компоненты в области прослойки из неферромагнитного материала, а максимума синглетной компоненты - в сверхпроводящей пленке. Угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых обеспечивается изменение критической температуры сверхпроводящей пленки от конечного до нулевого значения. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к сверхпроводниковым устройствам и может быть использовано в радиотехнических информационных системах и вычислительной технике.

Известен сверхпроводниковый быстродействующий ключ (RU 2381597 С1, Кузьмин и др., 10.02.2010), содержащий тонкопленочный сверхпроводящий элемент субмикронных размеров на диэлектрической подложке и подводящие электроды, сверхпроводящий элемент включен поперек микроволновой линии передачи, и переключающий элемент выполнен в виде наномостика сверхпроводника с импедансом в открытом состоянии много большим импеданса линии в открытом состоянии и малым импедансом много меньшим импеданса линии в закрытом состоянии, а подводящие электроды подключены к микроволновой линии передачи в поперечном направлении. Принцип действия состоит в закорачивании линии передачи сверхпроводниковым мостиком. Когда через него идет значительный ток, то этот мостик разрушается, и в линию включается сильное затухание, что, однако, требует большой мощности управляющего сигнала, наличие сверхпроводящего материала с большой разницей сопротивлений в нормальном и сверхпроводящем состоянии, что для сигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов найти пока не удалось. Кроме того, при включении затухания в нем выделяется тепло, которое нужно отводить, чтобы не изменить параметры самой управляемой линии.

Известен также сверхпроводниковый вентиль по патенту (US 6894406, Kinder, 17.05.2005). Принцип его действия основан на подавлении сверхтока в высокотемпературном сверхпроводниковом элементе посредством воздействия электромагнитным излучением, что, однако, требует очень больших мощностей излучения и характеризуется инерционностью. В другом изобретении (US 5442195, Saitoh et al., 15.08.1995) описан управляемый критическим током джозефсоновский переход (ДП) с использованием двух пар токоподводов: две из которых - токовые, а две другие - управляющие, которые изменяют наведенную сверхпроводимость. Однако и в этом устройстве требуется большая плотность тока управления.

Известен токовый вентиль (US 7314765, 01.01.2008; US 6995390, 07.02.2006 - Tsukui), основанный на реализации структуры сверхпроводник/нормальный металл/сверхпроводник (SNS) для управления высокочастотным током без использования каких-либо диэлектрических материалов и потерь энергии. С понижением температуры изменяется состояние нормального металла (Cu), вследствие чего изменяется протекающий по Nb пленке сверхток. В другом изобретении описано устройство для управления СВЧ-сигналом, основанное на регулировании плотности тока переключающей секцией, изменяющей критический ток в сверхпроводнике (DE 10313156 В3, KRUEGER et al., 16.12.2004).

Наиболее близким аналогом является сверхпроводниковый спиновый вентиль, включающий размещенную на подложке сверхпроводящую пленку и размещенную на ней через слой изолятора структуру, управляющую критической температурой Т_C сверхпроводящей пленки, состоящую из двух слоев ферромагнитных (F) материалов, разделенных прослойкой неферромагнитного материала (US 6414870 B1, JOHNSON et al., 02.07.2002). Для реализации вентиля необходимо обеспечить в ферромагнитных пленках большие значения магнитных моментов по величине, такие, чтобы созданное пленками магнитное поле могло существенным образом изменять характеристики сверхпроводниковой пленки. Соответственно, для управления протекающим током необходимо создавать большие магнитные поля перемагничивания.

В патентуемом вентиле реализуется иной механизм управления сверхпроводящим током, причем для этой цели возможно использовать любые ферромагнитные материалы, у которых генерируемое магнитное поле в силу своей малости не изменяет транспортных свойств сверхпроводящей пленки. Эффект управления достигается за счет изменения критической температуры сверхпроводника вследствие эффекта близости с многослойной структурой, содержащей слои ферромагнитного материала, разграниченные прослойкой нормального металла. Тем самым во всех составных частях вентиля обеспечивается генерация триплетной компоненты сверхпроводящего упорядочения, максимум амплитуды которой локализован не в сверхпроводнике, а в указанной прослойке. Следует отметить, что ранее авторами (RU 2373610 С1, Карминская и др., 20.11.2009) уже указывалось на возможность управления характеристиками сверхпроводящего прибора с джозефсоновским переходом с использованием слоистой FNF структуры, где слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Однако в этом приборе максимумы триплетной и синглетной сверхпроводящих компонент пространственно совмещены и локализованы в области, обеспечивающей токонесущую способность устройства. В патентуемом спиновом вентиле ситуация диаметрально противоположная - максимум синглетной компоненты располагается в сверхпроводящей пленке, в то время как максимум триплетной компоненты приходится на прослойку, разделяющую ферромагнитные пленки. Вследствие такого пространственного разделения и обеспечивается эффективность управления вентилем.

Патентуемый сверхпроводниковый спиновый вентиль включает сверхпроводящую пленку и размещенную на ней структуру для управления критической температурой сверхпроводящей пленки, состоящую из первого слоя, примыкающего к сверхпроводящей пленке, и второго слоя ферромагнетика, разделенных прослойкой из неферромагнитного материала.

Отличие состоит в том, что первый слой ферромагнетика размещен непосредственно на сверхпроводящей пленке с обеспечением гальванического контакта с последней. Дополнительно введен размещенный на поверхности второго слоя ферромагнетика слой антиферромагнетика с возможностью фиксации направления вектора намагниченности второго слоя ферромагнетика и разворота вектора намагниченности в первом слое ферромагнетика и генерации максимума амплитуды триплетной сверхпроводящей компоненты в области прослойки из неферромагнитного материала, а максимума синглетной компоненты - в сверхпроводящей пленке. Угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых обеспечивается изменение критической температуры сверхпроводящей пленки от конечного до нулевого значения.

Устройство может характеризоваться тем, что слои ферромагнетика имеют различающиеся значения коэрцитивного поля, а также тем, что сверхпроводящая пленка выполнена из ниобия или сплава на его основе.

Устройство может характеризоваться и тем, что сверхпроводящая пленка выполнена из редкоземельных купратов общей формулы ReBa₂Cu₃O_7-x, где Re-редкоземельный металл, а также тем, что в качестве ферромагнетика использован элемент из группы Ni, Co, Fe или сплавы на их основе.

Устройство может характеризоваться также тем, что в качестве неферромагнитного материала использован элемент из группы Сu, Аu, Al, Pt, а, кроме того тем, что в качестве антиферромагнетика использованы окислы хрома, марганца или соединения на их основе.

Кроме того, устройство может характеризоваться и тем, что толщина слоя ферромагнетика составляет 1-20 нм, преимущественно 2-10 нм, а также тем, что толщина прослойки из неферромагнитного материала составляет 5-50 нм, преимущественно 8-14 нм.

Устройство может характеризоваться и тем, что сверхпроводящая пленка в месте размещения на ней структуры для управления критической температурой сверхпроводящей пленки имеет толщину, не превышающую трех длин когерентности сверхпроводника.

Технический результат изобретения - более сильное подавление критической температуры сверхпроводящей пленки управляющим элементом при неколлинеарном направлении векторов намагниченности ферромагнитных слоев. Дополнительный технический результат состоит в возможности более эффективного управления величиной критического тока в джозефсоновских переходах, а также коммутации сверхпроводящего тока в устройствах типа разветвитель.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:

фиг.1 схематично представлена конструкция спинового вентиля с использованием джозефсоновского перехода на структуре SIS;

фиг.2 - то же, что на фиг.1, на структуре SNS;

фиг.3 - принцип построения разветвителя с использованием патентуемого вентиля;

фиг.4 - управляющая структура в сечении;

фиг.5 - зависимость критической температуры Т_C сверхпроводящей пленки от угла α разворота направлений векторов намагниченности ферромагнитных пленок;

фиг.6 - то же, но для разных отношений толщины слоев к длине когерентности.

Конструкция вентиля на основе джозефсоновского перехода на структуре SIS (сверхпроводник/изолятор/сверхпроводник) показана на фиг.1. Устройство состоит из размещаемой на подложке (условно не показана) гетероструктуры, образованной тонкими пленками 1, 2 из сверхпроводника S, между которыми размещен слой 3 изолятора I, формирующий область слабой связи - джозефсоновский переход. Непосредственно на слое 2, с обеспечением гальванического контакта с последним, образована структура для управления критической температурой Т_C сверхпроводящей пленки 2. Она состоит из первого слоя 4 ферромагнетика, прослойки 5 из неферромагнитного материала (нормального металла, или диэлектрика, или полупроводника), второго слоя 6 ферромагнетика и слоя 7 антиферромагнетика А.

К токовой цепи сверхпроводящие пленки 1, 2 подключаются посредством токоподводов 8, 9. Внешний управляющий сигнал для изменения параметров слоев 4, 6, обеспечивающих генерацию триплетной компоненты сверхпроводящего упорядочения, может подаваться от индуктивности (не показана), размещенной над слоем 7 антиферромагнитного материала. Пленка 2 из сверхпроводника имеет толщину d_S, пленка слоя 4 ферромагнетика - толщину d_F, прослойка 5 - толщину h.

Конструкция вентиля на основе джозефсоновского перехода на структуре SNS показана на фиг.2. Устройство представляет собой также гетероструктуру, образованную тонкими пленками 1, 2 из сверхпроводника S, размещенными на слое 10 нормального металла N, образующую джозефсоновский переход. Непосредственно на поверхности пленки 2, аналогично предыдущему варианту, образована структура, состоящая из первого слоя 4 ферромагнетика, прослойки 5 из неферромагнитного материала, второго слоя 6 ферромагнетика и слоя 7 антиферромагнетика. К токовой цепи сверхпроводящие пленки 1, 2 подключаются посредством токоподводов 8, 9. Внешний управляющий сигнал для изменения параметров слоев 4, 6, обеспечивающих генерацию триплетной компоненты сверхпроводящего упорядочения в пленке 2, может подаваться от индуктивности (не показана), размещенной над слоем 7 антиферромагнетика. Обозначения те же, что на фиг.1: пленка 2 из сверхпроводника имеет толщину d_S в диапазоне 2-20 нм, преимущественно 5-10 нм, причем вне области гальванического контакта со слоем ферромагнетика 4 ее толщина может плавно или резко возрастать до значений 20-200 нм, пленка слоя 4 ферромагнетика - толщину d_F, которая для описанных топологий составляет 1-20 нм, преимущественно 2-10 нм; прослойка 5 - толщину h, которая составляет 5-50 нм, преимущественно 8-14 нм.

Принцип построения разветвителя с использованием патентуемого вентиля показан на фиг.3. Он состоит из линии 20 из пленки сверхпроводника S, которая разветвляется на две 21, 22 (или более) линии. По меньшей мере на одной из линий размещена управляющая структура 23, описанная ранее и имеющая структуру FNFA, а в совокупности с линией 22 образующая структуру S-FNFA. Токоподводами 24, 25, 26 осуществляется подача и съем коммутируемых токов. На фиг.4 показано сечение структуры в том случае, если в линии 20 (или что то же самое, в указанных на фиг.1, 2 пленках 2) использована достаточно толстая сверхпроводящая пленка. В таком случае, в месте размещения структуры для управления критической температурой сверхпроводящей пленки, последняя должна иметь толщину d_S1≤3ξ_S, не превышающую трех длин ξ_S когерентности сверхпроводника. Это легко выполняется, например, за счет формирования профиля наносимой пленки.

Принцип функционирования патентуемого сверхпроводникового спинового вентиля основан на том факте, что отклонение взаимной ориентации векторов намагниченности от коллинеарной (разворот вектора намагниченности) ведет к генерации в структуре S-FNFA триплетной сверхпроводящей компоненты, максимум амплитуды которой локализован в области N пленки. В результате этого сверхпроводник вынужден не только поддерживать собственную синглетную сверхпроводимость, но и обеспечивать существование этой триплетной компоненты, которая оказывается локализованной, в основном, вне сверхпроводника и эффективно подавляется за счет эффекта близости с несверхпроводящими слоями структуры. Вследствие этого существует область параметров, в которой управление величиной локального значения Т_C S-FNF-структуры путем изменения ориентации векторов намагниченности оказывается весьма эффективным, а сама величина Т_C оказывается подавленной до значений, меньших достижимых при коллинеарной геометрии направлений магнитных моментов.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющего сигнала от внешней индуктивности (не показана) генерируется магнитное поле, в результате которого происходит отклонение взаимной ориентации векторов намагниченности в слоях 4, 6 от коллинеарной. Это ведет к генерации в структуре S-FNFA (слои 2, 4, 5, 6, 7) триплетной сверхпроводящей компоненты, максимум амплитуды которой локализован в области прослойки 5 из неферромагнитного материала (нормального металла, или диэлектрика, или полупроводника). В результате этого пленка 2 сверхпроводника вынуждена поддерживать не только собственную синглетную сверхпроводимость, но и обеспечивать существование сверхпроводящей триплетной компоненты, максимум амплитуды которой оказывается локализован, в основном, в прослойке 5, то есть вне сверхпроводника, и эффективно подавляется за счет эффекта близости со всеми остальными слоями структуры.

Критический ток джозефсоновского контакта I_C, находящегося при рабочей температуре Т, пропорционален I_C~(T_C-T)^1/2. В соответствии с этим законом изменение критической температуры Т_C при подаче управляющего сигнала от внешней индуктивности приводит к управлению величиной критического тока контакта, то есть того максимального значения сверхпроводящего тока, который может бездиссипативно протекать через структуру.

Действие разветвителя тока (фиг.3) с использованием сверхпроводникового спинового вентиля основано на том факте, что величина тока в каждой отдельной линии 21, 22 разветвителя обратно пропорциональна индуктивности этих линий, которая в свою очередь зависит от степени близости рабочей температуры Т вентиля к критической температуре Т_C линии 20 из пленки сверхпроводника. При фиксированной рабочей температуре Т уменьшение критической температуры Т_C пленки из сверхпроводника ведет к возрастанию ее кинетической индуктивности L~(T_C-T)^-1 и, следовательно, к вытеснению сверхпроводящего тока в плечо, не содержащее управляющий элемент, вплоть до полного его вытеснения при Т_C стремящемся к Т. Значение Т_C зависит от угла разориентации направлений намагниченности входящих в управляющий элемент ферромагнитных пленок 4, 6. Имеющаяся в устройстве прослойка 5 служит для пространственного разделения слоев 4 и 6 ферромагнетиков и обеспечивает возможность управления внешним магнитным полем намагниченности одной из пленок (например, слоя 4) при сохранении направления вектора намагниченности другой пленки (например, слоя 6).

На фиг.5 показана зависимость критической температуры Т_С сверхпроводящей пленки 2 от угла α разориентации направлений векторов намагниченности слоев 4 и 6 ферромагнетика (T_CS - критическая температура той же пленки 2 в отсутствие эффекта близости с FNFA управляющей структурой). При расчете использовались следующие параметры: толщина сверхпроводящей пленки d_s=2.75 ξ_S (ξ_S - длина когерентности сверхпроводника), значение обменной энергии ферромагнитных слоев полагалось равным 6.8 πT_CS. Толщина d_F слоя 4 варьировалась от 0.15ξ_F до 1.1ξ_F (ξ_F - длина проникновения сверхпроводящих корреляций в ферромагнетик), в то время как толщина пленки 6 полагалась существенно превышающей ξ_F. Кривая 1 - d_F/ξ_F=0 или, что в данном случае эквивалентно d_F/ξ_F=∞; кривая 2 - d_F/ξ_F=0,15; кривая 3 - d_F/ξ_F=0,73; кривая 4 - d_F/ξ_F=1,10.

Кривая 1 отвечает случаям очень тонкой (d_F«ξ_F) или предельно толстой (d_F»ξ_F) пленки 4. В обоих случаях пленка 2 сверхпроводника фактически оказывается в контакте лишь с одним из двух ферромагнитных слоев, а именно слоем 4, так что управление критической температурой путем разворота направлений векторов намагниченности пленок полностью отсутствует.

При относительно малых d_F (кривая 2 на фиг.5) Т_C уже зависит от угла α. Эта зависимость носит монотонный характер, что обусловлено тем, что наличие слоя 4 при α=180° (антиферромагнитная ориентация векторов намагниченности) фактически приводит к частичной компенсации подавления сверхпроводимости, инициированной слоем 6 ферромагнетика. С уменьшением значения α этот компенсирующий фактор ослабевает и при α=0 подавление Т_C оказывается максимальным в силу того, что сверхпроводящий слой 2 оказывается в этом случае в контакте с фактически однородным по направлению намагниченности ферромагнетиком. При бóльших значениях d_F (кривая 3 на фиг.5) роль слоя 4 возрастает, так что при 0.5ξ_F≤d_F≤ξ_F зависимость Т_C(α) оказывается немонотонной и имеется интервал углов, в котором значения Т_C меньше величины Т_C(0). Этот случай отвечает заявляемому триплетному спиновому управляющему эффекту, поскольку в этом случае одним из основных каналов подавления сверхпроводимости является генерация в структуре триплетной сверхпроводящей компоненты, максимальная амплитуда которой локализована в прослойке 5, то есть вне сверхпроводника.

Эффективность управления критическим током или кинетической индуктивностью патентуемым спиновым вентилем дополнительно иллюстрируется фиг.6, на которой представлены зависимости Т_C(α), рассчитанные для ряда отношений d_S/ξ_S=2.75, 2.69, 2.66 и d_F/ξ_S=0.73 и 0.40. Кривая 1 на этом чертеже тождественна кривой 3 на фиг.5. Кривые 2 и 4 демонстрируют возможность полного подавления сверхпроводимости в слое 2 с увеличением α. Это подавление имеет место в широком диапазоне углов α и сменяется затем возвратом в сверхпроводящее состояние и ростом Т_C от нуля до некоторого конечного значения по мере приближения угла α к 180°. Тем самым открывается возможность уверенного полного закрытия канала протекания сверхпроводящего тока через джозефсоновский переход или через плечо сверхпроводникового разветвителя.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о достижении технического результата - более сильного подавления Т_C сверхпроводящей пленки управляющей структурой при неколлинеарном направлении векторов намагниченности ферромагнитных слоев, возможности более эффективного управления величиной критического тока в джозефсоновских переходах.

1. Сверхпроводниковый спиновый вентиль, включающий сверхпроводящую пленку и размещенную на ней структуру для управления критической температурой сверхпроводящей пленки, состоящую из первого слоя, примыкающего к сверхпроводящей пленке, и второго слоя ферромагнетика, разделенных прослойкой из неферромагнитного материала,
отличающийся тем, что
первый слой ферромагнетика размещен непосредственно на сверхпроводящей пленке с обеспечением гальванического контакта с последней, при этом дополнительно введен размещенный на поверхности второго слоя ферромагнетика слой антиферромагнетика с возможностью фиксации направления вектора намагниченности второго слоя ферромагнетика и разворота вектора намагниченности в первом слое ферромагнетика и генерации максимума амплитуды триплетной сверхпроводящей компоненты в области прослойки из неферромагнитного материала, а максимума синглетной компоненты - в сверхпроводящей пленке, причем
угол разворота векторов намагниченности заключен в интервале значений, при которых обеспечивается изменение критической температуры сверхпроводящей пленки от конечного до нулевого значения.

2. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что слои ферромагнетика имеют различающиеся значения коэрцитивного поля.

3. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что сверхпроводящая пленка выполнена из ниобия или сплава на его основе.

4. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что сверхпроводящая пленка выполнена из редкоземельных купратов общей формулы ReBa₂Cu₃O_7-x, где Re - редкоземельный металл.

5. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнетика использован элемент из группы Ni, Co, Fe или сплавы на их основе.

6. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что в качестве неферромагнитного материала использован элемент из группы Сu, Аu, Al, Pt.

7. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что в качестве антиферромагнетика использованы окислы хрома, марганца или соединения на их основе.

8. Вентиль по п.5, отличающийся тем, что толщина слоя ферромагнетика составляет 1-20 нм, преимущественно 2-10 нм.

9. Вентиль по п.6, отличающийся тем, что толщина прослойки неферромагнитного материала составляет 5-50 нм, преимущественно 8-14 нм.

10. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что сверхпроводящая пленка в месте размещения на ней структуры для управления критической температурой сверхпроводящей пленки имеет толщину, не превышающую трех длин когерентности сверхпроводника.