Extremely Low-Power Half-Flux-Quantum Circuits using Novel, Large Inductance Induced by Magnetic Josephson Junctions

使用磁性约瑟夫森结感应的新型大电感的极低功耗半通量量子电路

基本信息

批准号：
22H01548
负责人：
田中雅光
金额：
$ 10.73万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、磁性ジョセフソン接合を含む量子干渉素子を用いて得られる巨大なインダクタンス効果を用いることで、半磁束量子回路の更なるの低電力化と大規模集積化を可能にすることを目的としている。磁束量子の1/2を情報担体とする半磁束量子回路は、従来の磁束量子に基づく超伝導回路と同程度の速度で、2桁以上の電力削減ができるデジタル回路技術として有望である。また、高速性と低エネルギー性の両方を追求してはじめて近づくことのできる、量子極限に迫る論理回路の学術的探索においても有力なツールとなる。今年度は、磁性ジョセフソン接合を含む量子干渉素子の回路内での振る舞いについて詳細な解析を行った。実際の回路においては、周囲に存在する超伝導ループとの量子干渉効果も起きるため、巨大インダクタンス効果の発現は複雑になる。電流-超伝導位相の関係など定式化し、数値解析による静特性解析を実施した上で、PdNiを磁性体層に用いたπシフト磁性ジョセフソン接合を作製した。まず、外部電流をかけない状態で磁性ジョセフソン接合の位相差がπシフトしていることを確認した後、このπ接合と通常の接合（0接合）から構成した量子干渉素子を超伝導ループ内に複数配置して自己インダクタンスの変化を観察した。液体ヘリウム温度で実施した実験では、π接合を含む量子干渉素子を複数有する超伝導ループが、非線形のインダクタンス特性を示すことが示唆された。0接合の臨界電流値35μAに対し、数マイクロアンペア程度の微小な電流入力に対して、1桁のインダクタンス増大効果があることが見込まれることが分かった。

在这项研究中，我们的目标是利用包含磁性约瑟夫森结的量子干涉器件获得的巨大电感效应，进一步降低功耗并大规模集成半磁通量子电路。半磁通量子电路使用一半的磁通量子作为信息载体，是一种很有前途的数字电路技术，可以将功耗降低两个数量级以上，速度与基于磁通量子的传统超导电路相当。它还将成为学术研究接近量子极限的逻辑电路的有力工具，只有同时追求高速和低能耗才能接近量子极限。今年，我们对电路中的量子干涉器件（包括磁性约瑟夫森结）的行为进行了详细分析。在实际电路中，还会发生与周围超导回路的量子干涉效应，使得巨电感效应的表现变得复杂。在建立了电流与超导相之间的关系并使用数值分析进行静态特性分析后，我们使用 PdNi 作为磁性层制造了 π 位移磁性约瑟夫森结。首先，在确认磁性约瑟夫森结的相位差在不施加外部电流的情况下移动π之后，我们将由该π结和正常结（0结）组成的量子干涉元件插入到超导回路中，并放置了几个电感器。并观察自感的变化。在液氦温度下进行的实验表明，包含多个量子干涉元件（包括π结）的超导回路表现出非线性电感特性。结果发现，与0结的临界电流值35μA相比，对于几微安的微小电流输入，预计会产生使电感增加一个数量级的效果。