DE2434997C3 - Josephson-Kontakt-Speicher - Google Patents

Description

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

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

Bereits vorgeschlagene Josephson-Kontakt-Speicher ι ί gehören einem Typus an, bei welchem ein oder mehrere Josephson-Kontakte in einen supraleitenden Kreis eingeschaltet sind, in welchem unter gewissen Umständen ein Superstram eingefangen sein kann. Der Josephson-Kontakt (oder-Kontakte) kann als eine Art -'" Stromschaiter 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 Joseplrson-Kon- r> takt-Speicher sind im USA-Patent 56 26 39! und im schweizerischen Patent 5 39 919 beschrieben.

Die Speicher des genannten Typs, die eine Speicherschleife aufweisen, können zwar möglicherweise bei hoher Geschwindigkeit arbeiten, sie sind jedoch in 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 r, 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 tu werdender keinen Vorbereitungszyklus erfordert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Mauptanspruch bescnriebene Erfindung; Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den Unteranspriichen aufgeführt, ti

Zu den Vorteilen des erfindengsgemäßen Speichers gehören insbesondere:

eine sehr hohe Packungsdichte aufgrund der geringen Flächenausdehnung der einzelnen Jo- ~>o sephson-Kontakte sowie der Möglichkeit, die ebenfalls aus Josephson-Elementen bestehenden Leseschaltungen außerhalb der eigentlichen Speichermatrix anzuordnen,

relativ leicht einzuhaltende rlcrstellungstoleran- r.

zen,

einfache und .billige Herstellung und damit Einsatz als Massenspeicher,

sehr hohe Operationsgeschwindigkeit,

geringe Abstrahlung von Leistung. mi

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

In den Zeichnungen zeigt b-,

F i g. I eine Verstärkungskcnnlinie eines langen Josephson-Kontakts mit sich überlappenden Wirbel-Moden.

F i g, 2a und 2b Blockschaltbilder von zwei möglichen Ausführungsformen einer Speichermatrix,

Fi g, 3 mögliche Arbeitspunkte für die beiden ersten Wirbel-Moden eines Kontakts,

F i g. 4 und 5 Sehaltbilder zweier Leseschaltungen,

Fig,6 den Effekt der Formgebung auf die Wirbel-Moden,

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

Fig.8 ein bevorzugtes Beispiel der Formgebung für einen Kontakt,

F i g, 9 den Effekt von Uerstellungstoleranzen auf den Überlappungs-(Speicher-)Bereich zwischen den (0-1)-und(l-2)-Wirbel-Modenund

Fig. 10 ein Schaltbild eines möglichen Kompensationsnetzwerkes.

Ein Josephson-Kontakt mit einer Länge /, die fünfmal so groß ist wie die Josephson Eindringtiefe λ/ hat eine Verstärkungskennlinie entsprechend Fig. 1. Die voll ausgezogene Hüllkurve markiert die Grenze zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand des Kontakts.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird der Kontakt so betrieben, daß, außer während des Umschaltens zwischen Wirbel-Moden, der Kontakt dauernd in seinem supraleitenden Zustand verbleibt, d. h, seine Arbeitspunkte bleiben immer unterhalb der ausgezogenen Linie in F i g. 1.

In der Zone unterhalb der geraden Linie 1 kann der Kontakt in seinem (0-1)-Wirbel-Modus sein, während er unterhalb der gekurvten Linie 2 in seinem (1-2)-Wirbel-Modus sein kann. In der schraffierten Zone 1 kann der Kontakt offensichtlich im einen oder anderen der beiden Moden sein. Tatsächlich 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 .la. Die Parameter des Josephson-Kontakts können so gewählt werden, daß der Wirbel-Modus (2-3) bei kleineren Werten des Stromes /_c be-jinnt, 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-Modus zu befinden.

Der (1-2)-Wirbel-Modus entspricht dem Zustand des Kontaktes, in welchem ein einzelnes Flußquant im Kontakt eingefangen ist, während in dem (0-I)-Wirbel-Modus kein solches Flußquant eingefangen isi. 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 Oxydschicht des Kontaktes geschlossen ist. Diese Schleife umschließt ein Bündel von Fliißlinien, die näherungsweise einem Flußquant Φη entsprechen. Die Fähigkeit des Kontakts, ein Flußquant einzufangen, hängt von seiner Induktivität ab, welche wiederum eine Funktion seiner Größe 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 Überlappungsbereich 3 den Ursprung (l_g— l_c=0) des Diagramms der Fig. 1 enthält, wodurch die Speicherung eines einzelnen Flußquam·; ohne Arbeits-

ströme ermöglicht wird.

Der Grund für die f iihigkcit einer großen Induktivität, ohne externe Arbeitsströme ein einzelnes llußquant speichern zu können, ist im Prinzip der Mußquantisicrung in supraleitenden Schleifen zu suchen. Der (lußinhalt Φ eines Josephson-Koniakts isl von der Größenordnung

worin /„, der maximale Superstrom, /. die Induktivität des Kontakts und /ViO die Anzahl der Hußquantcn im Kontakt sind Für die Speicherung eines einzelnen Nuüquants '/',, ist /V = 1. und man muß haben:

Wenn die Induktivität /. des Kontakts kleiner als /., ist. kann der Kontakt ohne äußeren Arbcilsslrom kein einzelnes f'UiUqiiant enthalten. I alls /. > /ι, kann der Kontakt ein oder mehrere l'lußquantcn enthalten

j).;_c v::r!:cgi'::de !-!riindung zieh¹. Nut/cn aus tlii-^c" Eigenschaften der losephson Kontakte, indem sie in der Auslegung eines Speichers zur Anwendung gelangen, bei dem jede Speicherzelle aus einem einzelnen loscphson-Kontakt besteht, /ti diesem Zvveck wird der (0-1) Wirbel-Modus, bei dem kein i'lußquant im Kontakt cingcfangcn ist. willkürlich beispielsweise dem fiinärwert (I) zugeordnet. während der (1-2) Wirbel Modus, bei welchem ein Mußquant cingefangcn ist. dem Binärwert (0) zugeordnet wird falls mehr als ζ« Η Wirbel-Moden sich gegenseitig überlappen, könnte jeder Modus einem tcrnärcn Wert, einem quarlernärcn Wert ι)".«., zugeordnet werden. Demnach wird ein losephson-Speicher vorgeschlagen, bei welchem die einzelnen loscphson-Kontaktc — ausgenommen wäh rend des 1 'mschalicns 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 •Xusführungsbcispicl der Erfindung nur die beiden ersten Wirbel-Moden benutzt

Es w'ijrde bereits erwähnt, daß der tatsächliche Modus des innerhalb der schraffierten Zone 3 (fig. I) betriebenen Kontakts von der Vorgeschichte abhängt. Wenn beispielsweise zuerst ein Steuerstrom An angelegt wird, befindet «ich der Kontakt im (O-I)-Modus. Durch nachfolgendes Anlegen eines Arbeitsstromes /„, welcher den kritischen Wert /, überschreitet, bei welchem Wert der (O-l)-Modus instabil wird, schaltet der Koniakt rasch vom (0-1) Modus in den (1-2)·Modus um.

Wenn der Strom L nun abgeschaltet wird, findet kein Rückschalten statt, der Kontakt bleibt vielmehr im (l-2)-Modus. Wenn nun der Strom An auf I₁₀-AI₁ reduziert wird und ein Strom /„> IV" erneut angelegt wird, wird der (l-2)-Modus instabil, und der Kontakt schaltet zurück in den (O-I)-Modus. Bei darauffolgendem Abschalten der Ströme /» und Al, bleibt der Kontakt im (O-I)-Modus.

Aufgrund der Tatsache, daß jeder Übergang eines Kontakts zwischen seinen zwei Wirbel-Moden eine Änderung seines Energieinhalts nach sich zieht, ist das Auslesen der gespeicherten information möglich. Da die f lußänderung sedoch nur ein einzelnes Flußquant mit 2 10 "Vs betrifft, ist die erzielte Energieänderung nur von der Größenordnung 10 '■'■ Joules für Ströme im MiiiiarriDerebereich.

Das Umschalten des Kontakts zwischen den Moden erfolgt extrem schnell und manifestiert sich als sehr kurze Spannungsspitze, deren Amplitude groß genug isl. um sie über dem I lintcrgrundraiischen erkennbar zu machen.

Mit losephson-Koniakten.dic in der Lage sind, binäre Information in der l'orm von Wirbel Moden zu speichern, isl es möglich, eine Spcichcrinatiix mit einer Packungsdichte größer als 15—30 000 Zellen/mm' zu entwickeln. Diese hohe Packungsdichte wird dadurch ermöglicht, daß das Problem des Auslesens nach außerhalb des eigentlichen Speie Itcis transferiert werden kann.

Die Organisation einer derartigen .Speichermatrix isl in der Γ i g. 2 gezeigt. Die einzelnen loscphson-Kontak-Ie sintl in einer Matrix angeordnet, wobei alle in einer Spalte der Matrix enthaltenen Kontakle 5 in Reihe geschaltet und an eine Worllcitung 6 angeschlossen sind Arbcitsslromleitungen 7 liegen über allen Konlak ι·';; riiwr jnirn Reihe- der Mat:L. mid führen einen testen Steuerstrom An. der allen Kontakten gemeinsam ist In E i g. 2a sind llilleitungen 8 auch übe! alle Kontakte jc.^r Reihe geführt; s\c werden mit bipolaren Biiimpulscn -t/1/, gespeist. In I ig. 2b werden die Hitirr.pulsc ±AI, dem festen Sir:>m An auf der Leitung 7 übciL^it.

Der Wortstrom /„ und der Hitstrom \ M,\ sind so gewählt, daß keiner vi η ihnen allein den Arbeitspunkt des adrcsr'-rtcn Kontakts veranlassen kann, aus der schraffierten Zone 3 der E i g. 1 auszuwandern. Andernfalls könnte nämlich Information verlorengehen. Hei gleichzeitigem Auftreten dei Ströme soll der Arbeitspunk ι die- scharffierle Zone jedoch verlassen, was liiei nach näher beschrieben werden wird

Die Verschiebung des Arbeitspunktes nach außerhalb der Zone 3 in Cig 1 ist für gewisse Lese- und .Schreiboperationen erforderlich. Wenn zunächst angenommen wird, daß der Kontakt sich in seinem (0 I) Wirbel Modus befindet, der einem Binärwert (I] entspricht, nimmt er den Arbeilspunkt A (Γ ig. 3) ein falls ein fester Steuerstrom /,«angelegt ist.

!'.in Hitimpuls -t /W₁ und ein Wortstromimpuls /„ werden dann gleichzeitig an den Kontakt angelegt, se daß der Arbeitspunkt des Kontaktes von A nach flläufl und der Kontakt daher aus seinem (0-1) Wirbel-Modus in den (1-2) Wirbel-Modus umschaltet bzw. von Hinäi (I) nach Binär (0) Das Abschalten der Ströme /„ und Al, hat keinen Einfluß, da der Arbeitspunkt des Kontakte; auf eine Position innerhalb der schraffierten Zone 2 zurückkehrt, in welcher beide Wirbel-Moden möglich sind Auch die Wiederholung dieser Operation ander den Wirbel-Modus nicht.

Um eine binäre (1) einzuschreiben, müssen eit Wortstrom /„ und ein Bitstromimpuls —AI, gleichzeitig angelegt werden. Dadurch erfolgt eine Verschiebung des Arbeitspunktes von A nach C. Der Kontakt schalte dann in den (0-1)-Wirbel-Modus, falls er sich vorher in (1-2)-Wirbel-Modus befunden hatte War er jedocl bereits im (O-l)-Modus. so tritt keine Änderung ein Auch beim Abschalten der Bit- und Wortströme trit keine Änderung auf. Ferner läßt die Repetition diesel Operation den (0-1 )-Modus unverändert.

Pas Lesen der in den einzelnen, die Speichermatri; bildenden Kontakten 5 gespeicherten Information is der Schreiboperation sehr ähnlich. Ein Wortstrom /, und ein Bilstrom +Al, v/erden gleichzeitig zu demjeni gen Kontakt übertragen, dessen Informationsinhai auszulesen ist. Dadurch wird der Arbeitspunkt de:

Koniakts zu einer Verschiebung von A nach B(V i g. 2) veranlaßt. Falls der Kontakt in seinem (1-2)-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 der Kontakt in seinem (0-1)-Wirbel-Modus war, der einer gespeicherten binären (1) entspricht, bewirkt das Anlagen der Ströme /»und + ΔΙ, sein Umschalten in den {Ί -?)-Wirbel-Modus. Dadurch wird die zuvor gespeicherte und dem (0-1)-Wirbel-Modus zugeordnete Information zerstört. Das Umschalten des Kontakts er/fiigl eine Spannungsspitze Δ V, so daß

wobei/l/die Impulsdauer und tf»odas Flußquant sind.

Jeweils die Hälfte der Spannung Δ V 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 Δ V/2 über die Zeit ΔΙ empfindlich srvr müssen. Das andere Ende der Wortleitung 6 ist vorzugsweise mit seinem Wellenwiderstand Zo abzuschließen, um Reflexionen zu vermeiden.

F i g. 4 zeigt eine mögliche Schaltung für das Auslesen der Information aus dem adressierten Kontakt 5. Die Wortleitung 6 ist mit dem Kontakt 5 verbunden und setzt sich über eine Induktivität 9 nach Masse fort. Die Wortleitung 6 ist so ausgelegt, daß ihr Wellenwiderstand Zo jeweils aufrechterhalten ist. Mit dem oberen Ende der Induktivität 9 ist ein Widerstand 10 verbunden, der an einen Josephson-Kontakt 11 und an eine weitere Induktivität 12 angeschlossen ist. Sowohl der Kontakt 11 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 nichtgezeigten Stromquelle gelieferten Arbeitsstrom /fo, der über eine Arbeitsstromleitung 13 dem Josephson-Kontakt 11 zugeführt wird.

Der Arbeitsstrom Im ist so bemessen, daß der Kontakt 11 normalerweise in seinem supraleitenden Zustand verbleibt. Wenn sich die Lesestromspitze zum Arbeitsstrom Im addiert, wird der maximale Josephson-Strom des Kontakts 11 überschritten, so daß der Kontakt sehr kurzzeitig in den normalleitenden Zustand umgeschaltet wird. Dadurch wird wenigstens ein Teil des Arbeitsstroms Im in die Induktivität 12 transferiert und durchfließt dementsprechend die Steuerleitung 14 eines Abtast-Josephson-Kontaktes 15.

Der Abtast-Kontakt 15 wird über eine Leitung 16 mit einem Arbeitsstrom /* versorgt, der den Kontakt 15 normalerweise in seinem supraleitenden 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 darauf hinzuweisen, daß eine empfindliche Leseschaltung die Benutzung eines Lesekontaktes 11 voraussetzt, welcher einen kleinen maximalen Josephson-Strom /^ aufweist, so daß der Energieinhalt der beim Lesen auftretenden Spitze derjenigen Energie vergleichbar ist die zum Umschalten des Lesekontaktes 11 benötigt wird. Diese F.nergic ist von der Größenordnung /il · Φο.

In einem Beispiel für eine typische Auslegung dieser Leseschaltung haben die Josephson-Kontakte 5,11 und > 15 eine maximale Stromdichte /_m« = 22 kA/cm². Der Speicherkontakt 5 hat eine Länge /=5λ/= 13,5 μπι. Der Wellenwiderstand der Wortleitung 6 ist Zb = 2ß, die Induktivität 9 hat 5 pH, die Induktivität 12 hat 2OpH. Der Widerstand 10 hat 0,1 Ω. Der Josephson-Kontakt 11

ι» ist vorzugsweise ein Punktkontakt (I > λ/) mit einer Fläche von 1,1 ·1,2 μπι², mit einem maximalen Josephson-Strom /mo = 0,28 mA. Der Steuerstrom ist /«= /mo, und das ergibt einen Josephson-Strom von 0,84 /mo.

Die kurze Stromspitze, die beim Auslesen eines

ι. Kontaktes 5 erzeugt wird, reicht aus, um den Kontakt 11 anzustoßen und eine Stromänderung in der Steuerleitung 14 von 4/=0,24mA hervorzurufen. Wenn der Abtast-Kon'akt 15 lang ist, z. B. 1=5 λ/ und mit einem Arbeitsstrom /,O = O₁SmA betrieben wird, bei einem

.'" Strom /,, = 0,9 mA auf der Steuerleitung 17,dann genügt die Stromänderung zl/14, um den Kontakt 15 zu veranlassen, in seinen normalleitenden Zustand umzuschalten.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Lese-

:'■ Schaltung ist in F i g. 5 dargestellt. Wie in F i g. 4 ist der Speicherkontakt 5 mit einer Wortleitung 6 verbunden, und eine Induktivität 9 ist vorgesehen, um den Leseimpuls gegen Masse zu isolieren. Die Stromspitze passiert einen Widerstand 10 zu einem Josephson-Kon-

!Ii takt 18. Eine Arbeitsstromquelle 19 hält den Kontakt 18 normalerweise in seinem normalleitenden Zustand. Der Widerstand 10 und eine Vorspannung VO sind so gewählt, daß der Arbeitspunkt des Kontaktes 18 nahe bei jenem Punkt liegt, an dem der Kontakt spontan

Γι zurückstellt, d. h., der Spannungsabfall V₁ am Josephson-Kontakt wird nahe bei der Spannung V_min gehalten, bei welcher Spannung der Kontakt in den supraleitenden Zustand zurückkehrt.

Die beim Lesen erzeugte Spannungsspitze subtra-

J(I hiert sich von der Vorspannung V₀, so daß die Spannung V/ am Josephson-Kontakt kleiner wird als die Rückstellspannung Vmin, worauf der Kontakt in den supraleitenden Zustand zurückschaltet. Dadurch steigt der Strom /20 in einer Steuerleitung 20 erheblich an. Dieser Anstieg

J"i des Stromes /20 wird benutzt, um einen Abtastkontakt 21 zu steuern, der normalerweise supraleitend ist, aber der nun in seinen normalleitenden Zustand umgeschaltet wird, um das Ausgangssignal zu liefern.

Die Vorspannung VO kann beispielsweise von einem

vi weiteren Josephson-Kontakt (nicht gezeigt) geliefert werden, der selbstriickstellend ausgelegt ist, so daß der Leistungsverbrauch der Leseschaltung im Ruhezustand Nu¹I ist.

Die Lage der Wirbel-Moden (Fig. 1), und damit die

Überlappungszone 3 der (0-1)- und (1 -2)-Wirbel-Moden, hängt von der Formgebung des Kontaktes ab. Die Supraleiter des Kontaktes, dessen Kennlinie in F i g. 1 dargestellt ist haben einheitliche Formgebung. Für gewisse Anwendungsfälle ist es jedoch erwünscht, eine

M) größere Überlappungszone zu haben, und es wird deshalb vorgeschlagen, wenigstens einer der Kontakt-Elektroden eine andere Form zu geben.

Die Formgebung kann beispielsweise in der Einschnürung des zentralen Teils einer der Elektroden

to bestehen. Dieses Einschnüren hat einen ausgeprägten Einfluß auf die Lage des (1-2)-Wirbel-Modus, wie das die F i g. 6 zeigt. Der Einfluß auf den (0-i)-Wirbel-Modus ist jedoch gering.

L-riv L/IVIM. I/ ULI

J U3\.l III 111

UIIlV,! MCKIL/

.5V. 1111 ΙΟΙ I» 11

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 größer sein --, in welchem Fall man es mit einem echten Interferometer zu tun hat (F i g. 7b und c).

Die praktische Auslegung eines Kontaktes mit Formgebung entsprechend der vorliegenden Erfindung läßt sich am besten anhand der Berechnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigen. Es wird auf Fig. 7a Bezug genommen. Für die in Betracht gezogenen beiden Kontakte 22 und 23 hat man:

/, /„, = sin ν,.

/,/„, = sin ₇₂.

Vn = Yn H I-

Ul₁ df

worin /ι, h die Ströme durch die [osephson-Kontakte 23 und 22, l_m der maximale Josephson-Strom, φι, ψ₂ die Phasendifferenzen über άύΆ Kontakten, V/i, V^ die Kontakt-Spannungen und L die Induktivität des eingeschnürten Teils 26 sind. Da

Ά)

df

ergibt sich

UjI_n, = sin₇₂ =

7!

Das Einschnüren des zentralen Teils einer Elektrode bewirkt die Verschiebung des (I-2)-Wirbel-Modus nach links in der normalisierter. Verstärkungskennlinie der Fig.6. Mit schmaler werdender Einschnürung w (w\< wi< wi)nähert sich der linke Ast der (I-2)-Wirbel-Kurve der ///„,-Achse und bewegt sich schließlich über den Ursprung l_g=I_c=0 hinweg. Wenn das der Fall ist, wird der Speiche·" unempfindlich gegen Stromausfall, wobei der Steuerstrom I₁. verschwindet. Mit anderen Worten, wenn jich die (l-2)-Wirbej-Kurve über die y/_m-Achse erstreckt, enthält die Überlappungszone /Jf=Zc=O-PuHkI, und die in den Speicherkontakten gespeicherte Information kann beim Aufhören des Steuerstroms /„nicht verlorengehen.

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).

Falls in Fig. 7a der Strom /^ = 0, hat man /, + /_; = 0 und sin ν : = — sin 7₂. Daraus ergeben sich die folgenden drei Lösungen:

(a) (J) = T)₂SO.

Dieses ist die Null-Wirbel-Lösung mit gespeichertem Strom /_r = 0.

(b) ψ,= -ψ₂

SJn₇₂ 2

'Il Ί

was Lösungen nur für >;>9,24 ergibt. Das ist nicht annehmbar für den Fall, daß man mit einem einzelnen Flußquant arbeiten möchte, da es zu einem Arbeitsmodus mit mehr als einem FluUqiiant führt. Demnach ist zu fordern, daß (i<9,24 für die Betriebsweise mit einem einzelnen Flußquant.

(c) ν i-v ι= ±π

7l - 72 = ';

„ = 2, - =2, ,V.

worin Φο das Flußquant τ; die zur Abkürzung wi eingeführte normalisierte Induktivität bedeutet. Damit können die oben angegebenen Beziehungen umgeschrieben werden als

UH_n, = sin_7l. η-,

Sill </ ,

ι X

Da > sin v₂| < I, muß man haben N> 1/2 oder η > π. Es handelt sich hierbei um die ± 1-Wirbel-Lösung mit einem gespeicherten Strom I₁Ii_n= t.i/ij. Damit ergeben sich die Grenzen für ;;, nämlich λ<»;<9,24 für den Fall des Betriebs mit einem einzelnen Flußquant, und (in Abwesenheit des Steuerstroms, /„= I₁- = 0) hat man den gespeicherten Strom /_r:

iNiill-VViihcl)

K I_1n = I- .7 <, It I-Wiibcl)

KL,, =

I-Wirbel)

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

0.4

,1

London Eindringtiefe (in μπι),

die Oxyddicke unterhalb des Teils 26 (in μίτι),

(T/T,), Tc= kritische Temperatur,

maximale Josephson-Stromdichte(in 10⁴AZCm²), Verhältnis Länge zu Breite des Teils 26,

Fläche jedes der Kontakte 22 und 23 (in μπι).

Mit ί,=2θΑ hat man einen echten Josephson-Kontakt, der z.B. haben kann At=800A und
/nur= 10⁴AZCm². Die Formel für η liefert dann:

= 0,064

,1

Für das Verhältnis Ι/λ/=5 und mit A = 20 μπι², erhält man rj = 6,4, was innerhalb der oben angegebenen Grenzen liegt.

Eine praktische Ausbildung einer diesem Beispiel c-.itsprechenden Struktur ist in F i g. 8 dargestellt, wobei alle Dimensionen in μπι angegeben sind.

Die Verstark-.ngskennlinie eines Kontakts (Fig. I), und demnach die Überlappungszonen 3, la zwischen den Wirbel-Moden, hängen vom Verhältnis //λ/ab, und damit auch von der maximalen Stromdichte f_max. Diener Parameter ist es, der sich nur sehr schwer innerhalb enger Toleranzen halten läßt. Wenn J_m3t um etwa ±20% um den gewählten Wert variiert, ändert sich der Wert von UX₁ von 4,5 bis 5,5, wenn der gewählte Wert für //A/= 5,0 gewesen ist. Fig.9 zeigt die entsprechenden Änderungen in der Überlappungs-(oder Speicher-)Zone 3 (0-1, 1-2). In Fig.9 ist I_n, der maximale Josephson-Strom, wenn /„„,den gewählten Wert hat.

Aus diesem Diagramm kann man die Toleranzen für die Wort- und Ritströme für die angenommenen ±20% Änderungen der maximalen Josephson-Stromdichte Irrrnx entnehmen. Unter der Annahme, daß der feste Steuerstrom /_co genau eingehalten wird, findet man mit /_lO//_ra = 0,68, /„//_m = 0,l2 und J/₍//_m = O,27, daß die zulässigen Änderungen von der Größenordnung ± 10% für dtn Bitstrom Al_c und ±11% für den Wortstrom /„ sind.

Die Einhaltung dieser Grenzen ist möglich, wenn ein gewisses Mali an Nachführung für den Bit-Strom Ah vorgesehen ist. Wie erwähnt, kann für einen geeignet geformten Kontakt der Steuerstrom ho = Null gemacht werden, wodurch ein Parameter aus dem Toleranzproblem 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.

Sine mögliche Schaltung für das Nachführen ist in Fig. 10 gezeigt. Josephson-Kontakt 5 (Fig.3, 4) ist rrrit einer Bitleitung 8 gekoppelt, in welcher der Bitstrotn ±Al_c fließt. Mit Bitleitung 8 ist der Mittelpunkt einer Reihenschaltung von Josephson-Kontakten 27 und 28 verbunden, welche über eine Leitung 29 mit einem Arbeitsstrom k versorgt werden. Den Kontakten 27 und 28 ist eine Induktivität 30 parallel geschaltet.

Wenn der Kontakt 28 größer ausgelegt ist als der Kontakt 27 und der Arbeitsstrom h auf der Leitung 29 so gewählt ist, daß er den maximalen Josephson-Strom /^₁, des Kontaktes 27 überschreitet, jedoch nicht den maximalen Josephson-Strom /".„ des Kontaktes 28, dann geht der Kontakt 27 in seinen normalleitenden Zustand über, und ein Teil des Arbeitsstroms Ib wird in die Induktivität 30 transferiert. Wenn dieser Transfer beendet ist, ist der in den Kontakten 27 und 28 verbleibende Strom gleich dem minimalen |osephson-Strom /„,',η , der mindestens durch den Kontakt 27 fließen muß, wenn dieser nicht spontan in seinen supraleitenden Zustand zurückkehren soll.

Uer Steuerstrom h-a wird dann in eine Steuerleilung 31 des Kontaktes 28 eingespeist, um diesen Kontakt in seinen normalleitenden Zustand umzuschalten und dabei den Strom /_m'_n in die Bitleitung 8 zu transferieren. Daraus ergibt sich, daß der Bitstrom Al_c gleich dem Strom I-J,„ wird.

Für kurze Kontakte (Ι/λ/<2) nimmt der minimale losephson-Strom /„„„ ungefähr wie (f_mjxy zu. Das in F i g. 10 gezeigte Schema liefert deshalb einen Bitstrom ±AI„ der (/„,j,/ proportional ist, wodurch teilweise Kompensation der Abweichungen in den Arbeitsbereichen der Speicherwellen ermöglicht wird.

I liur/u .Ί ISkHt /

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Digitalspeicher mit Josephson-Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speicherzelle aus einem einzigen Josephson-Kontalu (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, la) 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,,) innerhalb des Kontakts (5) eingefangen sein kann, während in jedem anderen (0-1,2- J) der Wirbel-Moden (0-1,1 -2, 2-3) eine andere Anzahl von Flußquanten ('Pn) eingefangen sein kann, daß die sich überlappenden Wirbel-Moden (0-1, 1-2; 1-2, 2-J) digitalen Werten zugeordnet sind und daß jeder Kontakt (S) mit einer Wortleitung (6) zur Zuführung eines ArbeUsstroms Iw für den Kontakt und einer Bitleitung (8) zur Zuführung eines Steuerstroms /_to ± Al₁- gekoppelt ist, in welche Leitungen (6,8) nach dem Koinzidenzprinzip Ströme (l_w, /,o ± AlJ eingespeist werden können, um den Kontakt (S) zum Schreiben und Lesen von Information zwischen irgend zwei sich überlappenden Wirbel-Moden (0-1, 1-2; 1-2,2-J)umzuschalten.

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

3. Speichef nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Joiephso Kontakte (S) eine langgestreckte Baüfon?' aufweisen, wobei das Verhältnis ihrer Länge /zur Jose· hson-Eindringtiefe A/ungefähr//A/ = 5 beträgt.

4. Speicher nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephson-Kontakte (5) im Speicher in einer Matrix angeordnet sind, derart, daß die Kontakte (5) jeder Spalte in Reihe an eine gemeinsame Arbeitsleitung (6) angeschlossen sind und daß die Kontakte (S) jeder Reihe der Matrix mit wenigstens einer Steuerleitung (7, 8) induktiv gekoppelt sind, wobei die entsprechenden Arbeitsund Steuerströme als Wortstrom f/»jund liitstrom (±ΔΙ_α I^AIJdienen.

5. Speicher nach den Ansprüchen I 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 (Ita) des Kontaktes (U) in die zweite Induktivität (12) transferiert wird, so daß der zweite Josephson-Kontakt (15) umschaltet, und ein Ausgangssignai abgibt

6. Speieher naeh den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wortleitung (6) mit einer Leseschaltung (F i g. 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 m\he bei dem Punkt spontaner Rückstellung des Kontaktes (18) liegt, so daß dieser beim Erscheinen eines Leseimpulses zurückstellen kann und einen Strom (In) 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 (Ml) jedes Josephson-Kontaktes (5) einen verengten Teil (26) aufweist (F i g. 7,8) zum Zwecke der Vergrößerung der Überlappungszone (3, la) 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 < ι, < 9.24

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

//ω = Verhältnis Länge/Breite des eingeschnürten Teils (26),

Λ = Fläche des Kontakts (22,2J),

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

bezüglich der Sprungtemperatur

F₁. normalisierte Temperatur, max. Josephson-Stromdichie, A;. = t.ondonsche Eindringtiefc.

9. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (U) der Oxidschicht (25) unterhalb des verengten Teils (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 (23) unterhalb des verengten Teils (2b) größer ist, als die Oxiddicke unter dem übrigen Teil des Kontaktes (5).

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

12. Speicher nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitleitung (8) mit einer Schaltung (Fig. 10) zum Kompensieren möglicher Änderungen wenigstens eines der Parameter (Ina,) der Josephson-Kontakte (5) verbunden 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 (/^gespeist werden, derart, daß der maximale Jcsephson-Strom (I "_äx ) nur eines (27) der Kontakte (27,28) überschritten ist und daB der Bitstrom (al_c) auf der genannten Bitleitung (8) gleich ist dem minimalen Josephson-Strom f/"_n ) des genannten Kontakts (27).