Результат интеллектуальной деятельности: Сверхпроводящая цепь с участком слабой связи

Приборы и элементы схем, использующие сверхпроводящие цепи с участками слабой связи, то есть с участками, в которых реализуется эффект Джозефсона, в настоящее время вызывают растущий интерес, в частности, для применения в качестве сверхпроводящих логических элементов вычислительной техники, а также в сверхпроводящей электронике в целом.

Известно устройство, представляющее собой сверхпроводящую цепь с участком слабой связи [J.R. Williams, A.J. Bestwick, P. Gallagher, Seung Sae Hong, Y. Cui, Andrew S. Bleich, J.G. Analytis, I.R. Fisher, D. Goldhaber-Gordon. Unconventional Josephson Effect in Hybrid Superconductor-Topological Insulator Devices. Physical Rewiew Letters, 109, 056803 (2012)] - прототип, включающее два последовательно расположенных металлических сверхпроводящих контакта, нанесенных на поверхность монокристаллического топологического изолятора Bi₂Se₃, относящегося к материалам с топологически защищенным поверхностным состоянием. Между металлическими сверхпроводящими контактами имеется зазор. При охлаждении устройства, на контакты которого подан электрический ток, до гелиевых температур, металл контактов переходит в сверхпроводящее состояние, а при дальнейшем охлаждении (до 12 мК) в зазоре протекает устойчивый джозефсоновский ток. Таким образом, зазор между контактами становится участком слабой связи в сверхпроводящей цепи.

Недостатком устройства-прототипа является сложность его изготовления -для получения режима с устойчивым протеканием джозефсоновского тока в такой цепи зазор между контактами должен быть всего несколько десятков нанометров (в устройстве прототипе его длина, т.е., расстояние между металлическими контактами, составляет 45 нм), что требует использования электронной литографии при нанесении контактов на Bi₂Se₃.

Задача предлагаемого изобретения - создание простой в изготовлении сверхпроводящей цепи с участком слабой связи.

Поставленная задача решается тем, что в известной сверхпроводящей цепи с участком слабой связи, включающей два последовательно расположенных металлических сверхпроводящих контакта, нанесенных на поверхность материала с топологически защищенным поверхностным состоянием, и зазор между ними, металлические сверхпроводящие контакты находятся на поверхности монокристаллического магнитного топологического полуметалла Co₃Sn₂S₂.

Магнитный топологический полуметалл Co₃Sn₂S₂, также как и топологические изоляторы, относится к материалам с топологически защищенным поверхностным состоянием, которое, при этом, обладает выделенным направлением распространения, что радикально подавляет многочастичные процессы рассеяния в таком состоянии.

При намагничивании Co₃Sn₂S₂ в таком устройстве возникает протяженное поверхностное состояние, что дает возможность поддерживать устойчивый джозефсоновский ток при длине зазора до 5 мкм. Переход от субмикронных к микронным размерам элемента позволяет изготавливать устройство при помощи только процесса фотолитографии, что сокращает число технологических этапов изготовления устройства по сравнению с процессом с применением электронной литографии.

Пример исполнения устройства показан на Фиг. 1, где 1 - контакты из индия, 2 - зазор между контактами, 3 - монокристаллическая пластина Co₃Sn₂S₂. На поверхность монокристаллической пластины Co₃Sn₂S₂ (3), ориентированной в кристаллографической плоскости (0001), фотолитографическим способом нанесены контакты из индия (1) так, чтобы зазор между ними (2) имел длину 5 мкм.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Co₃Sn₂S₂ намагничивается во внешнем магнитном поле, плавно меняющемся от - 1 Тл до +1 Тл, поле плавно выключается, на металлические сверхпроводящие контакты подается электрический ток до 1 мА, при охлаждении устройства до температур ниже 1 К в зазоре между контактами возникает устойчивый джозефсоновский ток.