DE2434997A1 - Josephson-kontakt-speicher - Google Patents

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: SZ 973 005

Josephson-Kontakt-Speicher

Die Erfindung betrifft einen Digitalspeicher mit Josephson-Kontakten (Josephson-Kontakt-Speicher), d.h. einen Speicher zur Aufnahme digitaler Information, der in einer supraleitenden Umgebung arbeitet, und der die mit dem Josephson-Tunneln verbundenen Effekte ausnutzt. Ein derartiger Speicher kann auf dem Gebiet der elektronischen Datenverarbeitungsanlagen Verwendung finden.

Die Tatsache, daß der Speicher in einer supraleitenden Umgebung arbeitet, heißt nicht notwendigerweise, daß cryogene Temperaturen eine Rolle spielen. Tatsächlich hängt der Temperaturbereich, in welchem der erfindungsgemäße Speicher arbeiten kann, streng von den als Supraleiter verwendeten Materialien ab.

509817/0676

Bereits vorgeschlagene Josephson-Kontakt-Speicher gehören einem Typus an, bei welchem ein oder mehrere Josephson-Kontakte in einen supraleitenden Kreis eingeschaltet sind, in welchem unter gewissen Umständen ein Superstrom eingefangen sein kann. Der Josephson-Kontakt (oder -Kontakte) kann als eine Art Stromschalter aufgefaßt werden. In den bekannten Speichern werden die Kontakte tatsächlich während des SchreibVorgangs zwischen ihren supraleitenden und widerstandsbehafteten Zuständen hin- und hergeschaltet. Typische Beispiele für diese Art Josephson-Kontakt-Speicher sind im USA-Patent 3.626.391 und im Schweizer Patent 539.919 beschrieben.

Die Speicher des genannten Typs, die eine Speicherschleife aufweisen, können zwar möglicherweise bei hoher Geschwindigkeit arbeiten, sie sind jedoch ziemlich groß und passen deshalb kaum zu dem Trend in moderner Speicherarchitektur, der eindeutig zu sehr großen Massenspeichern tendiert. Außerdem verlangen die meisten der bekannten Speicher einen Vorbereitungszyklus, der in manchen Fällen ein großes Problem darstellt.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Josephson-Kontakt-Speicher anzugeben, der keine supraleitende Schleife für die Speicherung benötigt. Es soll ferner ein Speicher geschaffen werden, der keinen Vorbereitungszyklus erfordert.

SZ 973 005 - 2 -

509817/0676

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung; Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Speichers gehören insbesondere:

eine sehr hohe Packungsdichte aufgrund der geringen Flachenausdehnung der einzelnen Josephson-Kontakte sowie der Möglichkeit, die ebenfalls aus Josephson-Elementen bestehenden Leseschaltungen außerhalb der eigentlichen Speichernaatrix anzuordnen

relativ leicht einzuhaltende Herstellungstoleranzen

einfache und billige Herstellung und damit Einsatz als Massenspeicher

sehr hohe Operationsgeschwindigkeit geringe Abstrahlung von Leistung.

SZ 973 005 - 3 -

5098 1 7/0676

Ausführungsformen der Erfindung werden hiernach beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Verstärkungskennlinie eines'langen

Josephson-Kontakts mit sich überlappenden Wirbel-Moden,

Fign, 2a Blockschaltbilder von zwei möglichen Aus- und 2b führungsformen einer Speichermatrix,

Fig. 3 mögliche Arbeitspunkte für die beiden ersten

Wirbel-Moden eines Kontakts,

Fign. 4 und 5 Schaltbilder zweier Leseschaltungen,

Fig. 6 den Effekt der Formgebung auf die Wirbel-

Moden ,

Fign. 7a, 7b ein Ersatzschaltbild bzw. eine mögliche und 7c Formgebung für einen Kontakt,

Fig. 8 ein bevorzugtes Beispiel der Formgebung für

einen Kontakt,

Fig. 9 den Effekt von Herstellungstoleranzen auf

den Überlappungs-(Speicher-)Bereich zwischen den (0-1) und (1-2) Wirbel-Moden und

Fig. 10 ein Schaltbild eines möglichen Kompensationsnetzwerkes .

SZ 973 005 - 4 -

5098 17/0676

Ein Josephson-Kontakt mit einer Länge f , die fünfmal so gross ist wie die Josephson TCindringüefe \j hat eine Verstärkungskennlinie entsprechend Fig. 1. Die voll ausgezogene Hüllkurve markiert die G.renze zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand des Kontakts.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird der Kontakt so betrieben, dass, aussei- während des Unischaltens zwischen Wirbel-Moden, der Kontakt dauernd in seinem supraleitenden Zustand verbleibt, d. h. seine Arbeitspunkte bleiben immer unterhalb der ausgezogenen Linie in Fig.

In der Zone unteih alb der geraden Linie 1 kann der Kontakt in seinein (0- 1)-Wirbel-Modus sein, während er unterhalb der gekurvten Linie 2 in seinem (1-2)-Wirbel-Modus sein kann. In der schraffierten Zone 3 kann der Kontakt offensichtlich im einen oder anderen der beiden Moden sein. Tatsäclilich hängt es von der Vorgeschichte des Kontaktes ab, in welchem Modus er sich wirklich befindet, wenn sein -Arbeitspunkt innerhalb der Zone 3 liegt.'

Die gekrümmte Linie 2a umschliesst einen Wirbel-Modus (2-3) der nächsthöheren Ordnung. Dieser Modus überlappt teilweise den Wirbel-Modus (1-2) in einer schraffierten Zone 3a. Die Parameter des Josephson-Kontakts können so gewählt werden, dass der Wirbel-Modus (2-3) bei kleineren

SZ9-73-005 - 5 -

509817/0676

Werten des Stromes I beginnt, so dass ein Bereich existiert, in dem alle drei Moden (0-1), (1-2) und (2-3) sich überlappen. In diesem Bereich hat der Kontakt drei Möglichkeiten,- sich in einem bestimmten Wirbel-Mod us zu befinden.

Der (l-2)-Wirbel-Modus entspricht dem Zustand des Kontaktes, in welchem ein einzelnes Flussquant im Kontakt eingefangen ist, während in dem (0-1)-Wirbel-Modus kein solches Flussquant eingefangen ist. Das Einfangen eines Flussquants innerhalb des Kontaktes bedeutet, dass ein zirkulierender Superstrom in den Kontakt induziert worden ist. Dieser Strom fliesst entlang einer der Elektroden und kehrt entlang der anderen Elektrode, in einer Schleife zurück, welche durch die OxydscMcht des Kontaktes geschlossen ist. Diese Schleife umschliesst ein Bündel von Flusslinien, die näherungsweise einem Flussquant φ entsprechen. Die Fähigkeit des Kontakts, ein .Flussquant einzufangen, hängt von seiner Induktivität ab, welche wiederum eine Funktion, seiner Größte ist, da die Induktivität L· dem Verhältnis zwischen der Länge ^ des Kontaktes und seiner Breite w proportional ist. Wenn die Induktivität des Kontakts gross genug ist, ist es sogar möglich, dass der Ueberlappungsboreich 3 den Ursprung (I =I_c=0) des Diagramms dex^v Fig. 1 enthält, wodurch die Speicherung eines einzelnen Flussquants ohne Arbeitsströme ermöglicht wird.

SZ9- 73-005 - 6 -

5098 17/0 67 6

Der Ground für die Fähigkeit einer grossen Induktivität, ohne externe Arbeitsströme ein einzelnes Flussquant speichern zu können, ist im Prinzip der Flussquantisierung in supraleitenden Schleifen zu suchen. Der Flussinhalt φ eines Josephson-Kontakts ist von der Grossen-ο i'd iiung

Φ = LI - N φ

^m

worin I der maximale Superstrom, L die Induktivität des Kontakts m

und NC]) die Anzahl der Flussquanten im Kontakt sind. Für die Speicherung eines einzelnen Flussquants φ ist N=I, und man muss haben

L = L₁ =* φ /I .

1 ¹O' m

Wenn die Induktivität L des Kontakts kleiner als L ist, kann der Kontakt ohne äusseren Arbeitsstrom kein einzelnes Flussquant enthalten! . Falls L > L₁, kann der Kontakt ein oder mehrere Flussquanten enthalten.

Die vorliegende Erfindung zieht Nutzen aus diesen Eigenschaften der Josephson-Kontakte, indem sie in der Auslegung eines Speichers zur Anwendung gelangen, bei dem jede Sp eich erz.VlIe aus einem einzelnen Josephson-Kontakt besteht. Zu diesem Zweck wird der (O-l)-Wirbel-Modus, bei dem kein Flussquant im Kontakt eingefangen ist, willkürlich beispielsweise dem Binärwert (1) zugeordnet, während der (l-2)-Wirbel-Modus, bei welchem ein Flussquant eingefangen ist, dem Binärwert (0) züge-

: 509817/0676

SZO-73-005 - 7 -

ordnet wird. Falls mehr als zwei Wirbel-Moden sich gegenseitig überlappen, könnte jeder Modus einem ternären Wert, einem quarternären Wert, usw., zugeordnet werden. Demnach wird erfindungsgemäss ein Josephson- Speicher -vorgeschlagen, bei welchem die einzelnen Josephs on-Kontakte, - ausgenommen während des Umschaltens zwischen den Moden, - dauernd in ihrem supraleitenden Zustand gehalten werden, und wobei die Informationsspeicherung durch das Umschalten der Kontakte in den einen oder irgendeinen anderen ihrer Wirbel-Moden erfolgt. Um das Verständnis zu erleichtern, werden bei dem hiernach beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung nur die beiden ersten Wirbel-Moden benutzt.

Es wurde bereits erwähnt, dass der tatsächliche Modus des innerhalb der schraffierten Zone 3 (Fig. 1) betriebenen Kontakts von der Vorgeschichte abhängt. Wenn beispielsweise zuerst ein Steuerstrom I angelegt wird, befindet sich der Kontakt im (0-1)-Modus. Durch nachfolgendes Anlegen eines Arbeitsstromes I , welcher den kritischen Wert I überschreitet, bei welchem Wert der (O-l)-Modus instabil wird, schaltet der Kontakt rasch vom (0-1)-Modus in den (l-2)-Modus um.

Wenn der Strom I nun abgeschaltet wird, findet kein Rückschalten statt, der Kontakt bleibt vielmehr im (l-2)-Modus. Wenn nun der Strom I

>co

er it

auf I - Δ I reduziert wird und ein Strom I > I erneut angelegt

co c w w

SZ9-73-005 - 8 -

5098 17/0676

wird, wird der (l-2)~?.locju·; i)_i:;t:;].'.^;] u.';J dv:r Kun-akl schallet zurück in den (O- l)--ModuK. Bei drirc-a^ToljOr.dei-i Abschalten der Ströme I.

und Δ I bleibt der Kontakt im (O-l)-Modus. c

Aufgrund der Tatsache, dass jeder Ue.bergung eines Kontakts zwisehosn. seinen zwei Wirbel-Moden eine Aenderung seines Energieinhnlts nach sich zieht, ist das Auslesen der gespeicherten Information möglich. Da

-15 die 3'"¹Iussänderung jedoch nur ein einzelnes Flussquant mil 2-10 ' Vs betrifft, ist die erzielte Energieänderung nur von der Grössenordnung

■j Q

10 Joules für Ströme im Milliamperebereich.

Das Umschalten des Kontakts zwischen den Moden erfolgt extrem schnell ι und manifestiert sich als sehr kurze Spannungsspitze, deren Amplitude gross genug ist, um sie über den) Hintergrund rauschen erkennbar zu mache

Mit Jose.phson-Kontald.en, die in der Lage sind,binäre Information in der Form von \Virbel-Moden zu speichern, ist es möglich, eine Spcicher-

2 matrix mit einer Packungsdichte grosser als 15-30. 000 Zellen/mm, zu entwickeln. Diese hohe Packungsdichte nird dadurch ermöglicht, dass das PiOblem des Auslesens nach ausscrhalb des eigentlichen Speichers transferiert werden kann.

Die Organisation einer derartigen Speicharmalj-ix ist in der Fig. 2 geneigt. Die einzelnen Josephson-Kontaktc sind in einer Matrix angeordnet.

SZ9-73-005 - 9 -

509817/0676 BAD ORIGINAL

wobei alle in einer Spalte dor Matrix enthaltenen Kontakte 5 in Reihe geschaltet und an eine Wortleitung 6 angeschlossen sind.

Arbeitsstromleitungen 7 liegen über allen Kontakten einer jeden Reihe

der Matrix und führen einen festen Steuerstrom I , der- allen Kontakten . · co .

gemeinsam ist. In Fig. 2a sind Bitleitungen 8 auch über alle Kontakte jeder Reihe geführt ; sie werden mit bipolaren Bitimpulsen ίΆΐ g_e_

C ο

co

speist. In Fig. 2b werden die Bitimpulse - ^ΔΙ dem festen Strom I auf der Leitung 7 überlagert.

Der Wortstrom I _r und der Bitstrom | δι I sind so gewählt, dass keiner von ihnen allein den Arbeitspunkt des adressierten Kontakts veranlassen kann, aus der schraffierten Zone 3 der Fig. 1 auszuwandern. Andernfalls könnte nämlich Information verloren gehen. Bei gleichzeitigem Auftreten der Ströme soll der Arbeitspunkt die schraffierte Zone jedoch verlassen, was hiernach näher beschrieben werden wird.

Die Verschiebung des Arbeitspunktes nach ausserhalb der Zone 3 in Fig. 1 ist für gewisse Lese- und Schreiboperationen erforderlich. Wenn zunächst angenommen wird, dass der Kontakt sich in seinem (O-l)-Wirbel-Modus befindet, der einem Binärwert (1) entspricht, nimmt er den Arbeitspunkt A (Fig. 3) ein, falls ein fester Steuerstrom I angelegt ist.

509817/0676

SZ9-73-005 - 10 -

243A997

Ein Bitinipuls + Δ] und ein Wovislroininipius 1 _r werden dann gleichzeilig an den Kontakt bügele·',!., so dass dor Arbeitöpunkt des Kontaktes von A nach B läuft, und der Kontakt dabei¹ aus seinem (O-l)-Wirbel-Modu.s i,n den (1-2)-Wirbel-Mod us umschaltet, bzw, von Binär (1) nach Binür (0). Das Abschalten der Ströme I und ΛI hat keinen Einfluss, da der

w c

Arbeitspunkt des Kontaktes auf eine Position innerhalb der schrafiierten Zone 3 zurückkehrt, in welcher beide Wirbel-Moden möglich sind. Auch die Wiederholung dieser Operation ändert den Wirbel-Modus nicht.

Um eine binäre (1) einzuschreiben, müssen ein Worlstrom I _r und ein Bitstromimpuls -AI gleichzeitig angelegt, werden. Dadurch erfolgt. eine Verschiebung des Arbeitspünktes von A nach C. Der Kontakt schaltet dann in den (0-1)-Wirbel-Modus, falls er sich vorher im (1-2)-Wirbel-Modu befunden hatte. War ei' jedoch bereits im (0-1)- Modus, so tritt keine A ende rung ein. Auch beim Abschalten der Bit- und Wortströme tritt keine A ende rung auf. Ferner lässt die Repetition dieser Operation den (0-1)-Modus unverändert.

Das Lesen der in den einzelnen, die Speiehermatrix bildenden Kontakten gespeicherten Information ist der Schreiboperation sehr ähnlich. Ein

Wortstrom I und ein Bitstrom -I-Δ I werden gleichzeitig zu demionisen w c "

Kontakt übertragen, dessen Informatiojisinhalt' auszulesen ist. Dadurch wird der Arbeitspunkt des Kontakts zu einer Verschiebung von A nach B

509817/0676

.SZ9-73-005 ' - 11 -

BAD ORIGINAL

(Fig. 2) veranlasst. Falls der Kontakt in seinem (l-2)-Wirbel~Modus war, der einer binären (0) entspricht, geschieht nichts : der Kontakt bleibt einfach in diesem Modus. Dementsprechend wird kein Ausgangssignal erhalten, was für eine gespeicherte binäre (0) repräsentativ ist.

Falls d"er Kontakt in seinem (0-1)-Wirbel-Modus war, der einer gespeicherten binären (1) entspricht, bewirkt das Anlegen der Ströme I und +AI sein Umschalten in den (l-2)-Wirbel-Modus. Dadurch .wird die zuvor gespeicherte und dem (0-1)-Wirbel-Modus zugeordnete Information zerstört.. Das Umschaltendes Kontakts erzeugt eine Spannungsspitze

AV, so dass /Δ ν . At ~ φ _} wobei At die Impulsdauer und φ das Flussquant sind.

Jeweils die Hälfte der Spannung AV läuft aufwärts bzw. abwärts entlang der mit dem adressierten Kontakt verbundenen Wortleitung 6. An einem Ende der Wortleitung 6 sind geeignete Abtastmittel vorzusehen, die für die Spannung AV/2 über die Zeit At empfindlich sein müssen. Das andere Ende der Wortleitung. 6 ist vorzugsweise mit seinem Wellenwiderstand Z abzuschliessen, um Eeflektionen zu vermeiden.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Schaltung für das Auslesen der Information aus dem adressierten Kontakt 5.' Die Wortleitung G ist mit dem Kontakt verbunden und setzt sich über eine Induktivität 9 nach Masse fort. Die

509817/0676

SZ9-73-005 - 12 - ·

Wortleitung 6 ist so ausgelegt, dass ihr Wellenwiderstand Z jeweils aufrechterhalten ist. Mit dem oberen Ende der Induktivität 9 ist ein Widerstand 10 verbunden, der an einen Josephson-Kontakt 11 UHd₁ an eine weitere Induktivität 12 angeschlossen ist. Sowohl der Kontakt als auch die Induktivität 12 sind an Masse geführt.

Die Induktivitäten 9 und 12 sind für langsame Signale durchlässig, sie sperren jedoch die beim Lesen der im Kontakt 5 gespeicherten Information erzeugten Stromspitzen. Nach dem Passieren des Widerstandes 10 addiert sich die Stromspitze zu dem von einer nicht-gezeigten Stromquelle gelieferten Arbeitsstrom I , der über eine Arbeitsstromleitung 13 dem Josephson-Kontakt Il zugeführt wird.

Der Arbeitsstrom I ist so gemessen, dass der Kontakt Il normalerweise in seinem supraleitenden Zustand verbleibt. Wenn sich die Lesestromspitze zum Arbeitsstrom I addiert, wird der maximale Josephson-Strom des Kontakts 11 überschritten, so dass der Kontakt sehr kurzzeitig in den normall extend en Zustand umgeschaltet wird. Dadurch wird wenigstens ein Teil des Arbeitsstroms L in die Induktivität 12 transferiert und durch -

• bo

flies st dementsprechend die Steuerleitung 14 eines Abtast-Josephson-Kontakt es 15.

SZ9-73-005

5098 17/067 6

243499

Der'Abtast-Kontakt 15 wird über eine Leitung ;c mit eircrn Arbeitsstrom I, versorgt, der den Kontakt 15 normalerweise in seinem supra* leitenden Zustand hält. Mit dem Anwachsen des Stromes in der Steuerleitung 14 wird der Kontakt 15 in seinen normalleitenden Zustand umgeschaltet. Die Ausgangsinformation kann dann in konventioneller Art vom Kontakt 15 abgenommen werden. Eine Steuerleitung 17 am Kontakt 15 erlaubt eine optimale Einstellung des Arbeitspunktes dieses Kontaktes.

Es ist daraufhinzuweisen, dass eine empfindliche Leseschaltung die Benutzung eines Lesekontaktes 11 voraussetzt, welcher einen kleinen maximalen Josephson-Strom I aufweist, so dass der Energieiuhalt der beim Lesen auftretenden Spitze derjenigen Energie vergleichbar ist, die zum Umschalten des Lesekontaktes 11 benötigt wird. Diese Energie

11 χ

ist von der Grössenordnung I · φ .

m ο

In einem Beispiel für eine typische Auslegung dieser Leseschaltung haben die Josephson-Kontakte 5, 11 und 15 eine maximale Stromdichte

2
J __ = 22 IcA./cm . Der Speicherkontakt 5 hat eine Länge ε = 5\j = 13,5^m. Der Wellenwiderstand der Wortleitung 6 ist Z = 2 Ω , die. Induktivität 9 hat 5 pH, die Induktivität 12 hat 20 pH. De/ Widerstand 10 hat 0, 1 Ω . Der Josephson-Kontakt 11 ist vorzugsweise ein Punktkontakt ( c < λ τ )

2
mit einer Fläche von 1, 1 · 1, 2,Um , mit einem maximalen Josephson-Strom I = 0, 28 mA. Der Steuerstrom ist I₁ = I , und das ergibt einen mo bo i_io

Josephson-Strom von 0, 84 I

mo

SZ9-73-005 . " - 14 -

509817/0676

Die kurze Stromspitze, die beim Auslesen eines Kontaktes 5 erzeugt wird, reicht aus, um den Kontakt 11 anzustossen und eine Stromänderung in der Steuerleitung 14 von AI = 0, 24 mA hervorzurufen. Wenn der A'btast-Kontakt 15 lang ist, z.B. t = 5 Xj und mit einem Arbeitsstrom.

I = 0, 8 mA betrieben wird, bei einem Strom I =0,9 mA auf der so es

Steuerleitung 17, dann genügt die Stromänderung ΔΙ-,, um den Kontakt zu veranlassen, in seinen normalleitenden Zustand umzuschalten.

Eine weitere mögliche Ausführungsform der Leseschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Wie in Fig. 4 ist der Speicherkontakt 5 mit einer Wortleitung verbunden und eine Induktivität 9 ist vorgesehen, um den Leseimpuls gegen Masse zu isolieren. Die Stromspitze passiert einen Widerstand 10 zu einem Josephson-Kontakt 18. Eine Arbeitsstromquelle 19 hält den Kontakt normalerweise in seinein normalleitenden Zustand. Der Widerstand 10 und eine Vorspannung V sind so g.ewählt, dass der Arbeitspunkt des ·' Kontaktes 18 nahe bei jenem Punkt liegt, an dem der Kontakt spontan ' zurückstellt, d.h. der Spannungsabfall V_T am Josephson-Kontakt wird nahe bei der Spannung Y . gehalten, bei welcher Spannung der Kontakt in den supraleitenden Zustand zurückkehrt.

Die beim Lesen erzeugte Spannungsspitze subtrahiert sich von der \^rorspannung V , so dass die Spannung V am Josephs on-Kontakt kleiner wird als die Rückstellspannung V . , worauf der Kontakt in den supraleitenden Zustand zurückschaltet. Dadurch steigt der Strom I

Cj U

509817/0676

SZO-73-005 - 15 -

in einer Steuerleitung 20 erheblich an. Dieser Anstieg des Stromes I wird benutzt, um einen Abtastkontakt 21 zu steuern, der normalerweise supraleitend ist, aber der nun in seinen normalleitenden Zustand ujTigesehaltet wird, um das Ausgangssignal zu liefern.

Die Vorspannung V kann beispielsweise von einem weiteren Josephson-Kontakt (nicht gezeigt) geliefert werden, der selbst-rückstell end ausgelegt ist, so dass der Leistungs^erbrauch der Leseschaltung im Ruhezustand Null ist. · I

Die Lage der Wirbel-Moden (Fig. 1), und damit die Ueberlappungszone 3 der (0-1) und (1-2)-Wirbel-Moden,hängt von der Formgebung des Kontaktes ab. Die Supraleiter des Kontaktes , dessen Kennlinie in Fig. 1 dargestellt ist, haben einheitliche Formgebung, Für gewisse Anwendungsfälle ist es jedoch erwünscht, eine grössere Ueberlappungszone zu haben, und es wird deshalb vorgeschlagen, wenigstens einer der Kontakt-Elektroden eine andere Forin zu geben.

Die Formgebung kann beispielsweise in der Einschnürung des zentralen Teils einer der Elektroden bestehen. Dieses Einschnüren hat einen ausgeprägten Einfluss auf die Lage des (1-2)-Wirbel-Modus, wie das die Fig. 6 zeigt. Der Einfluss auf den (O-l)-Wirbel-Modus ist jedoch gering. . ■ .'

SZ9-73-005 - 16 -

509817/067 6

Das Einschnüren des zentralen Teils einer Elektrode bewirkt die Verschiebung des (l-2)-Wirbel-Modus nach links in der normalisierten Verstärkungskennlinie der Fig. 6. Mit schmaler werdender Einschnürung w (W₁ < w < \v ) uähex-t sich der linke Ast der (1-2)-Wirbel-Kurve der

I /I -Achse, und bewegt- sich schliesslich über den Ursprung I ■- I = g' m ^{to ] b} g c

hinweg. Wenn das der Fa]I ist, wird der Speicher unempfindlich gegen Stromausfall, wobei der Steuerstrom I verschwindet. Mit anderen Worten, wenn sich die (1-2)-Wirbel-Kurve über die I /I -Achse erstreckt, enthält die Ueberlappungszone den I =1 =0 -Punkt und die in den Speicherkontakten gespeicherte Information kann beim Aufhören des Steuerstroms I nicht verloren gehen. '

Der Grund für die Verschiebung des (1-2)-Wirbel-Modus liegt darin, dass die Formgebung die Induktivität des Kontaktes ändert. Tatsächlich kann man. in erster Näherung einen Kontakt mit Einschnürung als aus zwei Kontakten 22 und 23 bestehend ansehen, die durch eine Induktivität 24 miteinander verbunden sind (Fig. 7a). Die Dicke t. der Oxydschicht 25 unterhalb des schmalen Teils 26 kann entweder die gleiche sein wie unter den anderen Teilen der Vorrichtung, - in welchem Fall die ganze Anordnung ein regulärer Kontakt mit Formgebung ist, oder die Oxyddicke kann sehr viel grosser sein,- in welchem Fall man.es mit einem echten Interferometer zu tun hat (Fig. 7b und c).

SZ9-73-OO.^:5 - 17 -

509817/0676

Die praktische Auslegung eines Kontaktes mit Formgebung entsprechend der vorliegenden Erfindung lässt sich am besten anhand der Berechnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zagen. Es wird auf Fig. 7a Bezug genommen. Für die in Betracht gezogenen beiden Kontakte 22 und hat .man :

I₁/I = sin φ

Im 1

I,/I = sin φ . ■ ² " ² dl

Avorin L, I₉ die Ströme durch die Josephson-Kontakte 23 und 22, I der maximale Josephson-Strom, ψ , φ die Phasendifferenzen

1 i

über den Kontakten, V₁, V die Kontakt-Spannungen und L die Induktivität des eingeschnürten Teils 26 sind. Da

$0 d<?

J 27C dt

ergibt sich

^Tl 2 'I_1n

L I ' η = 2π -~^ = ■ 27C N

worin φ das Flussquant und η die zur Abkürzung eingeführte normalisierte Induktivität bedeuten. Damit können die oben angegebenen Beziehungen umgeschrieben werden als

I₁/I = sin φ. ImI

₂/I_m = sin Φ₂ - —

509817/0676

SZ9-73-005 - 18 -

Falls in Fig. 7a der Strom I =0, .'iat man 1 + I - 0 und sin φ

g l Δ χ

= -sin. Φ_ο. Daraus ergeben sich die folgenden drei Lösungen :

(a) (P_{1 β} φ^ _{3 0} ■

Dieses ist die Null-Wirbel-Lösimg mit gespeichertem

Strom I=O.
r

sin

<p₂ η

was Lösungen nur für η > 9., 24 ergibt. Das ist nicht an nehmbar für den Fall, dass man mit einem einzelnen Flussquant arbeiten möchte, da es zu einem Arbeitsmodus mit mehl· als einem Flussquant führt. Demnach ist zu fordern, dass η < 9, 24 für die Betriebsweise mit einem einzelnen Flussquant.

(c) (P₁ - <p₂ = ± π

sin φ₂ - ± -|- - ±

Da Isin (?₂ [ < 1 , muss man hoben N > 1/2 oder η > π . ' Es handelt sich hierbei um die i 1-Wirbel-Lösung mit einem · gespeicherten Strom 1 /i = i^Al . Damit ergeben sich die Grenzen für η ", nämlich π < η < 9,2.4 für den Fall des Betriebs mit einem einzelnen Flussquant, und (in Abwesenheit des Steuerstroms, I =1 =0) hat man den gespeicherten Strom

(Null-Wirbel)

( +1 - Wirbel )

( -1- Wirbel )

	I r	oder	5	I	x1	I m	-	0	/η
		oder	1	r'	I m		+· Tt	/η
-			I	r·	I ro	11	— 7C	-
SZ9-73-005						- 19	6
1			0	98	1	067

Ohne hier in Einzelheiten der Ableitung zu gehen (BCS-Theorie), kann man zeigen, dass η ungefähr ist :

N C

J-J t

( V^N C

0,4 I 1 + 2 . J-J - t.· · —- · A ,

> -i/I 4^ ' max iw'

worin \_L = London Eindringtiefe (in ,um)

t, = die Oxyddicke un.terlia.lb des Teils 26 (in/an)

t '= (T/T ) , T = kritische Temperatur

J = maximale Josephson-Stromdichte (in 10 A/cm ) max ^ ' '

£/w = \fei-hältnis Länge zu Breite des Teils 26 '

A " = Fläche jedes der Kontakte 22 und 23 (in jum )

Mit t. = 20 R hat man einen echten Josephson-Kontakt, der z-. B. haben ._T = 800 & und ein J
L max

kann λ_τ = 800 Ä und ein J =10 A/cm . Die Formel für Ά liefert

dann :

η = 0,064 -^- · A .
w

Für das Verhältnis EAj = 5 und mit A = 20 μιη , erhält man η = 6, 4 , was innerhalb der oben-angegebenen Grenzen, liegt.

Eine praktische Ausbildung einer diesem Beispiel entsprechenden Struktur ist in Fig. 8 dargestellt, wobei alle Dimensionen in/im angegeben sind.

Die Verstärkungskennlinie eines Kontakts (Fig. l)_;und demnach die Ueberlappungszonen 3, 3a zwischen den Wirbel-Moden,hängen vom Verhältnis e /λτ ab, und damit auch von der maximalen Sti-omdichte J

J· max

Dieser Parameter ist es, der sich nur sehr schwer innerhalb enger SZ9-73-005 . - 20 - .

5098 17/0676

-λ"

Toleranzen halten lässt. Wenn J , um etwa - 20% um den gewählten

max.

Wert variiert, ändert sich der Wert von i/'^_J von 4, 5 bis 5, 5, wenn der gewählte Wert für e/λ =5, 0 gewesen ist. Fig. 9 zeigt

%j

die entsprechenden Aenderungen in der Ueberlappungs- (oder Speicher-) -Zone 3 (0-1., 1-2). In Fig. 9 ist I der maximale Josephson-Strom,

wenn J. den gewählten Wert hat.
max

Aus diesem Diagramm kann man die Toleranzen für die Wort- und Bitströme für die angenommenen — 20% Aenderungen der maximalen Josephson-

Stromdichte J entnehmen. Unter der Annahme, dass der feste max

Steuerstrom 1 genau eingehalten wird, findet man mit I /I =0, 68, co ^{& ft} co' m

I /T. = 0,12 und Δΐ /I - 0,27, dass die zulässigen Aenderungen von w' m c' m ^{ö ö}

der Grössenordnung ± 10% für den Bitstrom. ΔΙ und — H% für den

Wortstrom I sind,
w

Die Einhaltung dieser Grenzen ist möglich, wenn ein gewisses Mass an Nachführung für den Bit-Strom Δι vorgesehen ist. Wie erwähnt, kann für einen geeignet geformten Kontakt der Steuerstrom I - Null gemacht werden, wodurch ein Parameter aus dem Tole3.-anzproblem eliminiert werden kann. Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass mit den oben angegebenen Grenzen der Informationsinhalt der Zellen durch von den Lese- und Schreiboperationen herrührende Stromspitzen nicht zerstört werden kann.

SZ9-73-005 - 21 -

509817/0676

Eine mögliche Schaltung für das Nachführen ist in Fig. 10 gezeigt. Josephson-Kontakt 5 (Fig. 3, 4) ist mit einer Bitleitung 8 gekoppelt, ^v in welcher der Bitstrom — ΔI fliesst. Mit Bitleitung 8 ist der Mittelpunkt

einer Reihenschaltung von Joscphsoti-Kontakten 27 und 28 verbunden,

welche über eine Leitung. 29 mit einem Arbeite strom L versorgt werden. ' Den Kontakten 27 und 28 ist eine Induktivität 30 parallel geschaltet.

Wenn der Kontakt 28 grosser ausgelegt ist als der Kontakt 27 und der Arbeitsstrom I auf der Leitung 29 so gewählt ist, dass er den maximalen

27

Josephson-Strom I des Kontaktes 27 überschreitet, jedoch nicht den

^ max ^J

maximalen Josephson-Strom.I des Kontaktes 28, dann geht der -

max ^b

Kontakt 27 in seinen normalleitenden Zustand über und ein Teil des Arbeitsstroms L wird in die Induktivität 30 transferiert. Wenn dieser

Transfer beendet ist., ist der in den'Kontakten 27 und 28 verbleibende

27

Strom gleich dem minimalen Josephson-Strom I . , der mindestens ^{fo 1} min

durch den Kontakt 27 fliessen muss, wenn dieser nicht spontan in seinen supraleitenden Zustand zurückkehren soll. .

Der Steuerstrom I _ηο wird dann in eine Steuerleitung 31 des Kontaktes

CZo

eingespeist, um diesen Kontakt in seinen normalleitenden Zustand urnzu-

schalten und dabei den Strom I . in die Bitleitung 8 zu. transferieren.

min ^ö

27

Daraus ergibt sich, dass der Bitstrom Δ I gleich dem Strom I . wird. '

C. mm

SZ9-73-005 ' ' - 22 -

509817/0676

Für kurze Kontakte ( I /Xj < 2) nimmt der minimale Josephson-

Strom I . ungefähr wie (J ) zu. Das in Fig. 10 gezeigte Schema mm ■ ■ max ^{fa B fa}

liefert deshalb einen Bitstrom i" ΔΙ , der (J ) proportional ist,

c max ^l

wodurch teilweise Kompensation der Abweichungen in den Arbeitsbereichen der Speicherzellen ermöglicht wird.

. SZ9-73-005 - 23 -

509817/0676

Claims (1)

1. PATENTANSP RÜCHE

   Digitalspeicher mit Josephson-Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speicherstelle aus einem einzigen Josephson-Kontakt (5) besteht, dessen Parameter (Größe, Formgebung, Aufbau, Materialien) so gewählt sind, daß der Kontakt eine Verstärkungskennlinie (Fig. 1) mit wenigstens zwei sich teilweise überlappenden (3, 3a) Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3) aufweist, wobei in einem (1-2) der Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3) wenigstens ein einzelnes Flußquant φ _Q) innerhalb des Kontakts (5) eingefangen sein kann, während in jedem anderen (0-1, 2-3) der Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3) eine andere Anzahl von Flußquanten (φ ) eingefangen sein kann, daß die sich überlappenden Wirbel-Moden (0-1, 1-2; 1-2, 2-3) digitalen Werten zugeordnet sind, und daß jeder Kontakt (5) mit einer Wortleitung (6) und einer Bitleitung (8) gekoppelt ist, in welche Leitungen (6, 8) nach dem Koinzidenzprinzip Ströme (1,1 ±Δ I ) eingespeist werden können, um

   W OO C

   den Kontakt (5) zum Schreiben und Lesen von Information zwischen irgend zwei sich überlappenden Wirbel-Moden (0-1, 1-2; 1-2, 2-3) umzuschalten.

   2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter jedes der Josephson-Kontakte (5) so gewählt sind, daß die ersten beiden Wirbel-Moden (0-1, 1-2) die größte Uberlappungszone (3) aufweisen.

   SZ 973 005^ - 24 -

   509817/0676

   3. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephson-Kontakte (5) eine langgestreckte Bauform aufweisen, wobei das Verhältnis ihrer Länge & zur Josephson-Eindringtiefe λ ungefähr λ/λ = 5 beträgt.

   4. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephson-Kontakte (5) im Speicher in einer Matrix ange-

   ... ordnet sind/ derart, daß die Kontakte (5) jeder Spalte in Reihe an eine gemeinsame Arbeitsleitung (6) angeschlossen sind und daß die Kontakte (5) jeder Reihe der Matrix mit wenigstens einer Steuerleitung (7, 8) induktiv gekoppelt sind, wobei die entsprechenden Arbeits- und Steuerströme als Wortstrom (I ) und Bitstrom (±ΔΙ , ι ±ΔΙ )

   w c co c

   dienen.

   5. Speicher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wortleitung (6) mit einer Leseschaltung (Fig. 4) verbunden ist, die aus einer ersten Induktivität (9), einem Widerstand (10), einem ersten Josephson-Kontakt (11) und einer zweiten Induktivität (12) besteht, wobei der Josephson-Kontakt (11) so eingestellt ist, daß er sich normalerweise in seinem supraleitenden Zustand befindet und daß er durch einen Leseimpuls in seinen normalleitenden Zustand umgeschaltet wird, so daß wenigstens ein Teil des Arbeitsstromes (I, ) des Kontaktes (11) in

   bo

   die zweite Induktivität (12) transferiert wird, so daß der zweite Josephson-Kontakt (15) umschaltet, und ein Ausgangssignal abgibt.

   SZ 973 005 - 25 -

   509817/0676

   6. Speicher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wortleitung (6) mit einer Leseschaltung (Fig.5) verbunden ist, die aus einer Induktivität (9), einem Widerstand (10) und einem ersten Josephson-Kontakt (18) besteht, wobei der Kontakt (18) durch eine Spannungsquelle (19) so vorgespannt ist, daß sein Arbeitspunkt nahe bei dem Punkt spontaner Rückstellung des Kontaktes (18) liegt, so daß dieser beim Erscheinen eines Leseimpulses zurückstellen kann und einen Strom (I_9n) durch eine mit einem zweiten Josephson-Kontakt (21) gekoppelte Steuerleitung (20) fließen läßt, von welchem Josephson-Kontakt (21) ein Ausgangssignal abgenommen werden kann.

   7. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (M3). jedes Josephson-Kontaktes (5) einen verengten Teil (26) aufweist (Fig. 7, 8) zum Zwecke der Vergrößerung der Überlappungszone (3, 3a) seiner Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3).

   8. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb des Kontakts zwischen den Wirbel-Moden mit keinem,- bzw. einem einzelnen Flußquant die normalisierte Induktivität (η) des Kontakts entsprechend der. Bedingung

   π < η < 9,24

   eingestellt wird, indem folgende Parameter (Fig. 7) entsprechend Gleichung I, Seite 20 gewählt werden:

   SZ 973 005 - 26 -

   509817/0678

   I / = Verhältnis Länge/Breite des eingeschnürten Teils (26) A = Fläche des Kontakts (22, 2 3)

   t. = Dicke der Oxidschicht unter dem eingeschnürten Teil (26)

   T
   t = (m ) = bezüglich der Sprungtemperatür T normali-

   c ^c

   sierte Temperatur

   ^J™*„ ⁼ max. Josephson-Stromdichte

   Hl ei λ

   λ = Londonsche Eindringtiefe.

   9. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t_±) der Oxidschicht (25) unterhalb des verengten Teil (26) die gleiche ist, wie unter dem übrigen Teil des Kontaktes (5).

   10. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t.) der Oxidschicht (25) unterhalb des verengten Teils (26) größer ist, als die Oxiddicke unter dem übrigen Teil des Kontaktes (5).

   11. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Kontaktes (5) so gewählt werden, daß das Überschneidungsgebiet der Wirbel-Moden den Zustand ohne Wort- und Bitstrom einschließt und somit die Speicherung eines Flußquants ohne Arbeitsströme ermöglicht.

   12. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitleitung (8) mit einer Schaltung (Fig. 10) zum Kompensieren möglicher Änderungen wenigstens eines der

   SZ 973 005 - 27 -

   509817/0676

   Parameter (J ) der Josephson-Kontakte (5) verbunden

   XuclX

   ist, wobei die genannte Schaltung aus einem ersten und einem zweiten Josephson-Kontakt (27, 28) in Reihenschaltung und einer den genannten Kontakten (27, 28) parallelgeschalteten Induktivität (30) besteht, wobei die Kontakte (27, 28) verschiedene Größen aufweisen und mit einem Arbeitsstrom (I, ) gespeist werden, derart, daß der maximale Josephson-Strom (I ' ) nur eines (27) der Kontakte (27,

   ITIcLSC

   28) überschritten ist, und daß der Bitstrom (Δι ) auf der genannten Bitleitung (8) gleich ist dem minimalen Josephson-

   27
   Strom (I . ) des genannten Kontakts (27).

   SZ 973 005 - 28 -

   509817/0676