JPH02206184A - 磁束量子素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ジョセフソン線路中の磁束量子（ジョセフソ
ンボルテソクスという）の伝播を他の磁束量子により制
御する磁束量子素子に関し、特に高速論理回路に利用さ
れる磁束量子素子に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、磁束量子でジョセフソン線路中の磁束量子の伝播
を制御する方法としては、磁束量子挿入ゲー）（ＦＩゲ
ート）が提案されている（６１年通信学会技報５Ｃ８８
５−５２）。

第５図は磁束量子挿入ゲートを示す構成図である。図に
おいて、１は第１のジョセフソン線路（以下、線路１と
いう）、２は第２のジョセフソン線路（以下、線路２と
いう）、３は第３のジョセフソン線路（以下、線路３と
いう）、４は第４のジョセフソン線路（以下、線路４と
いう）、５は超伝導体である。また、各ジョセフソン線
路は、線路４に示すようにトンネルバリアＩを挟むよう
に形成された上部電極■と下部電極■とから構成され、
入力端と出力端とを有している。

そして、線路２の上部電極と線路４の下部電極とは、線
路の入力端が共通になるように線路４の上部電極−線路
４のトンネルバリアー線路４の下部電極−線路２の上部
電極−線路２のトンネルバリアー線路２の下部電極の順
に、電気的には線路２と線路４とが直列に接続されてい
る。

また、上記２つの線路２．４が接続されている入力端に
おいて線路４の上部電極と線路１の出力端の上部電極と
が超伝導体５で接続されていると共に、線路２の下部電
極と線路１の出力端の下部電極とがインダクタンスを含
まない超伝導体５ａで接続され、線路がトンネルバリア
面に対して垂直方向に分岐しているＳ分岐が構成されて
いる。

さらに、Ｓ分岐の分岐部分において線路２と線路３の上
部電極間が超伝導体５で接続されており、下部電極間が
グランドを介して接続されている。

次に、従来の磁束量子素子のゲート動作を説明する。ま
ず、入力２に磁束量子の入力があると、線路３、線路１
及び線路２により構成されるＴ分岐（線路がトンネルバ
リアに対して水平に分岐したもの）に磁束量子が保持さ
れるため、磁束量子は線路２へ伝播される。

一方、入力２に磁束量子の入力が無いときは、線路３、
線路１及び線路２により構成されるＴ分岐に磁束量子が
保持されないため、磁束量子は線路４へ伝播される。

このように従来の磁束量子素子は、磁束量子の保持によ
り、Ｓ分岐を構成する線路１から伝播してくる磁束量子
が４’ｊ！１ｍ２に伝播するか線路４に伝播するかを制
御することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら従来の磁束量子素子は、図に示すように線
路２と線路４とが電気的に直列に接続さ４〜 れているので、線路４へ供給された電流は全て線路２へ
も供給されてしまう。従って、線路２へ電流をたし合わ
せることができても、完全に独立にバイアス電流を供給
することができないという欠点があった。

また、この欠点が解決されたとしても、１つのＳ分岐を
接合形で実現するためには接合を２段に重ねたいわゆる
２重接合が必要であり、この分岐を何段も接続するため
には、さらに多くのバリアを重ねた多重接合が必要とな
る。このため、薄膜型接合による形成するのは困難であ
った。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の欠点を解決するためになされたもので、
第１のジョセフソン線路の出力端の上部電極と第２のジ
ョセフソン線路の入力端の上部電極とを接続する第１の
抵抗体と、第１のジョセフソン線路の出力端の上部電極
と第３のジョセフソン線路の入力端の上部電極とを接続
する第２の抵抗体と、第３のジョセフソン線路の入力端
の上部電極と第２のジョセフソン線路の入力端の上部電
極との間を接続する直列に接続したジョセフソン接合及
び超伝導体と、直列に接続したジョセフソン接合と超伝
導体との接続点と第４のジョセフソン線路の出力端の上
部電極とを接続する第３の抵抗体とを備えている。

〔作　用〕

第２のジョセフソン線路と第３のジョセフソン線路とジ
ョセフソン接合と超伝導体とを介して超伝導ループを形
成し、第４のジョセフソン線路に入力された磁束量子に
よって、第１のジョセフソン線路に入力した磁束量子を
完全に独立して第２のジョセフソン線路又は第３のジョ
セフソン線路に伝播する。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図に従って説明する。

第１図は本発明に係る一実施例を示す磁束量子素子の構
成図である。ここでは、超伝導体からなる上部電極及び
下部電極の間にトンネルバリアが挟まれた積層構造を有
し、この積層構造が磁束量子の伝播方向にジョセフソン
侵入距離λ、の５倍程度板上の長さに構成されている分
布定数型線路について説明する。

図において、第５図と同一部分には同一符号を付する。

６ａは第１の抵抗体、６ｂは第２の抵抗体、６ｃは第３
の抵抗体２．７は超伝導体にあたるインダクタンス、８
は磁束量子を停止保持させることが可能な超伝導ループ
、９は補助バイアス電流供給線路、１０はジョセフソン
接合、Ｊｌはジョセフソン接合１０とインダクタンス７
との接合点である。ここで、線路１の出力端と線路２の
入力端との間及び線路１の出力端と線路３の入力端との
間は、それぞれ独立に第１の抵抗体６ａ及び第２の抵抗
体６ｂで接続されている。また、線路３の入力端と線路
２の入力端との間にはジョセフソン接合１０及びインダ
クタンス７が直列に接続されている。このため、線路３
−ジョセフソン接合１０−インダクタンス７−線路２に
より形成される超伝導ループ８が形成され、複数の磁束
量子を停止保持することができる。さらに、ジョセフソ
ン接合１０とインダクタンス７の接続点１１には、線路
４の出力端が第３の抵抗体６Ｃを介して接続されている
。

次に、上記のように構成された磁束量子素子の動作につ
いて説明する。まず、初期条件を設定するために、線路
３の入力端にのみ補助バイアス電流供給線路９を介して
電流を供給する。これにより、線路１中を伝播してきた
磁束量子が線路３には第２の抵抗体６ｂを通って伝播す
るが、線路２には伝播しないように設定する。

この状態において、線路１から磁束量子を伝播させると
、磁束量子は線路３に侵入すると共に線路３−ジョセフ
ソン接合１０−インダクタンス７線路２より形成される
超伝導ループ８中にも侵入する。そして、線路３中に侵
入した磁束量子は伝播して出力２に到達する。しかし、
この超伝導ループ８に磁束量子が侵入すると、ジョセフ
ソン接合１０がポルテックス転移し、超伝導ループ８中
の磁束量子はループ外に放出される。従って、制御信号
が線路４に入力されない時には、出力２に磁束量子が伝
播し超伝導ループ中には磁束量子が保持されないという
動作を示す。

一方、制御信号が線路４に入力された時には、磁束量子
が線路４中を伝播し超伝導ループ８に停止保持される。

超伝導ループ８に磁束量子が保持されている状態におい
ていは、磁束量子に伴う周回電流が線路２の入力端にお
いて上部電極から下部電極へ流れ補助バイアス電流とし
ての働きを示す。これに対し、線路３の入力端において
は下部電極から上部電極へ周回電流が供給されるため、
初期条件として印加した補助バイアス電流と周回電流が
打ち消し合う。その結果、線路１から伝播する磁束量子
は線路３には伝播されず、線路２にのみ伝播する。線路
２に侵入した磁束量子は、出力１に伝播すると共に超伝
導ループ８中に保持されていた磁束量子との間で対消滅
する。従って、制御信号が線路４に入力された時には、
出力１に磁束量子が伝播し超伝導ループには最終的に磁
束量子が保持されないという動作を示す。

第２図（ａ）〜（ｄ）は上述の動作を示したタイムチャ
ートである。

このように、制御信号の有無により磁束量子を出力１に
伝播させるか出力２に伝播させるかを制御することがで
きる。

また、第３図（ａ）、　　（ｂ）はインダクタンス７及
びジョセフソン接合１０に流れる電流を示した波形図で
ある。

同図から明らかなように、インダクタンス７を流れる電
流に対し、ジョセフソン接合１０を流れる電流は略反転
した波形であることが判る。ここで、記号Ａは停止磁束
量子に伴う周回電流である。

次に、第４図＜ａ＞〜（ｅ）は第１図における動作を回
路解析プログラムを用いたシミュレーションにより確認
した波形図である。これは、各線路の入力端、出力端の
接合の位相、ジョセフソン接合の位相の時間変化、そし
て超伝導ループ中を流れる電流の時間変化をプロットし
たものである。

また、磁束量子が通過したことは、位相が２π変化する
とにより知ることができる。

さて、時間ＴＩにおいて制御入力を入れずに線路１から
磁束量子が伝播させると、線路３にのみ］　０ 磁束量子が侵入し線路３の終端である出力２に磁束量子
が伝播する。そしてジョセフソン接合１０の位相が負の
方向に２π回転し、超伝導ループ８の内側から外側へ磁
束量子が放出していくことがわかる。

また、時間Ｔ２において、制御入力である磁束量子を線
路４から伝播させるとジョセフソン接合１００位相が正
の方向に２π変化し、超伝導ループ８中に磁束量子が取
り込まれ、この停止磁束量子に伴う周回電流が超伝導ル
ープ８に供給される。

そして、周回電流が供給されている時間Ｔ３において線
路１から磁束量子が伝播すると線路２にのみ磁束量子が
伝播すると共に、対消滅のため超伝導ループ８に供給さ
れていた周回電流が消滅することが確認することができ
る。

このように本実施例における磁束量子素子は、制御信号
の有無により入力磁束量子が出力１に伝播するか出力２
に伝播するかを振り分ける伝播方向制御機能を有してい
る。そして、線路１の入力を入力ｌ、線路４のＩＫ大入
力入力２、線路２の出力１を出力とすれば、入力Ｉと入
力２ともに入力磁束量子が入った時に出力に磁束量子が
伝播する。アンド（ＡＮＤ）回路が実現できる。

一方、線路１の入力にクロック信号を入力し、線路４の
制御入力を人力、線路３の出力２を出力とすれば、入力
磁束量子が入っ六：時のみ出力に磁束量子が伝播しなく
なるノソ）　（ＮＯＴ）回路が実現できる。

なお、上記実施例においでは、分布定数線路について説
明したが、分布定数線路の代わりにジョセフソン接合を
インダクタンスで梯子状に接続した集中定数型線路を用
いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、第２のジョセフソン線路
と第３のジョセフソン線路とジョセフソン接合と超伝導
体とを介して超伝導ループを形成し、第４のジョセフソ
ン線路に入力された磁束量子によって、第１のジョセフ
ソン線路に入力した磁束量子を完全に独立して第２のジ
ョセフソン線路又は第３のジョセフソン線路に伝播させ
ることができるため、回路構成上の自由度が高めること
ができる。

また、従来のＦ■ゲートのような多重接合を必要としな
いため、薄膜型ジョセフソン接合でのプロセス上の実現
が容易である。

さらに、超伝導ループ中に停止させた磁束量子により他
の磁束量子を制御する素子は、素子を多段接続したとき
に不用となった磁束量子を消滅させることが必要となる
。これに対して本発明は、超伝導ループ中にジョセフソ
ン接合を含んでいるため、リセット信号により容易に磁
束量子を超伝導ループ外に放出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例を示す磁束量子素子の構
成図、第２図（ａ）〜（ｄ）は第１図の動作を示したタ
イムチャート、第３図（ａ）。 （ｂ）はインダクタンス７及びジョセフソン接合１０’
に流れる電流を示した波形図、第４図（ａ）〜（ｅ）は
第１図における動作を回路解析プログラムを用いたシミ
ュレーションにより確認した波形図、第５図は磁束量子
挿入ゲートを示す構成図である。 １・・・第１のジョセフソン線路、２・・・第２のジョ
セフソン線路、３・・・第３のジョセフソン３ａ路、４
・・・第４のジョセフソン線路、６ａ・・・第１の抵抗
体、６ｂ・・・第２の抵抗体、６ｃ・・・第３の抵抗体
、７・・・インダクタンス、８・・・超伝導ループ、９
・・・補助バイアス電流供給線路、１０・・・ジョセフ
ソン接合、１１・・・接合点。 特許出願人　日本電信電話株式会社 代　理　人　山川政樹（ほか１名） に 頁く

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 トンネルバリアを挟むように形成された上部電極と下部
   電極から構成され、入力端と出力端とを有するジョセフ
   ソン線路において、 第１のジョセフソン線路の出力端の上部電極と第２のジ
   ョセフソン線路の入力端の上部電極とを接続する第１の
   抵抗体と、 前記第１のジョセフソン線路の出力端の上部電極と第３
   のジョセフソン線路の入力端の上部電極とを接続する第
   ２の抵抗体と、 前記第３のジョセフソン線路の入力端の上部電極と前記
   第２のジョセフソン線路の入力端の上部電極とを接続す
   る直列に接続したジョセフソン接合及び超伝導体と、 前記直列に接続したジョセフソン接合と超伝導体との接
   続点と第４のジョセフソン線路の出力端の上部電極とを
   接続する第３の抵抗体とを備え、前記第２のジョセフソ
   ン線路と前記第３のジョセフソン線路と前記ジョセフソ
   ン接合と前記超伝導体とを介して磁束量子を停止保持す
   ることができる超伝導ループを形成したことを特徴とす
   る磁束量子素子。