В связи с техническими работами в центре обработки данных, возможность загрузки и скачивания файлов временно недоступна.
 

Разработка новой элементной базы цифровой сверхпроводниковой электроники с магнитными материаламиНИР

Development of a new element base for digital superconductor electronics with magnetic materials

Соисполнители НИР

ИФТТ РАН Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 5 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. Разработка новой элементной базы цифровой сверхпроводниковой электроники с магнитными материалами
Результаты этапа: Разработаны алгоритмы решения двумерной краевой задачи для уравнений микроскопической теории сверхпроводимости в области слабой связи SIsFS и SIsFNS. Проведено исследование метастабильных фазовых состояний в SIsFS структурах в окрестности 0-пи перехода. Дана классификация существующих фазовых состояний в зависимости от свойств туннельной и ферромагнитной прослойки контакта. Исследована устойчивость состояний в разных режимах работы и получены принципиальные методы переключения между ними. Изучено влияние подключения инжектирующих электродов к элементу памяти на сверхпроводящих фазовых доменах. Получены характерные значения, при которых домены сверхпроводящей фазы формируются с и без инжектирующих электродов, а также получены условия переключения между одно и много доменным режимом. Дан аналитический обзор по принципам работы и современному состоянию энергосберегающей сверхпроводниковой быстрой одноквантовой логики, а также устройств сверхпроводниковой памяти, включающий их эволюцию, проанализированы их основные недостатки и очерчены возможные пути дальнейших исследований по совершенствованию устройств сверхпроводниковой логики и памяти. Получены аналитические выражения, для усредненных по времени ток- и вольт-потоковых и вольт-амперных характеристик СКВИДов – базовых элементов логических схем, справедливые в широкой области значений индуктивности контура СКВИДа, использование которых ускоряет оптимизацию реальных устройств и расширяет возможности для их аналитического исследования. В качестве примера применения предлагаемой аналитики дана оптимизация линейности отклика напряжения двух СКВИДов, соединенных последовательно и представлен метод определения ток-фазовой зависимости джозефсоновского контакта с помощью асимметричного СКВИДа. Разработан алгоритм расчета динамики базовой логической ячейки с магнитными контактами и рассчитана динамика ее переключения в классическом и адиабатическом режиме. Показана возможность проведения обратимых операций. На базе разработанного алгоритма проведена оптимизация параметров базовой логической ячейки минимизирующих затрачиваемую энергию на выполнение логической операции и/или время операции. Получен диапазон параметров, отвечающий заданному (классическому/адиабатическому) режиму функционирования исследуемой ячейки. Исследованы ток-фазовые зависимости SIsFS структур в различных режимах. Определены условия, при которых такой элемент может быть использован в составе компактной ячейки памяти (вентиля) или джозефсоновского квантового бита, эффективно «защищенного» от ряда механизмов разрушения когерентности его состояний. Для упомянутых квантовых битов исследованы динамические процессы, возможные при интеграции в цепи сверхпроводниковой электроники, и найдены оптимальные режимы и для считывания, и для управления состояниями. Дан анализ современного состояния исследований влияния ферромагнитных слоев на критическую температуру Тс контактирующей с ними сверхпроводящей пленки и теоретических подходов к решению задачи о вычислении Тс. Развит метод осаждения ферромагнитных слоев в форме клина заданной формы. С использованием этого метода изготовлена серия бислоевNb-PdFe и построена зависимость их критической температуры от толщины ферромагнетика. Полученные данные позволили сделать оценку периода осцилляций сверхпроводящего параметра порядка в сильноразбавленном слабоферромагнитном сплаве Pd0.99Fe0.01.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Разработка новой элементной базы цифровой сверхпроводниковой электроники с магнитными материалами
Результаты этапа: Предложена новая концепция свверхпроводникового элемента памяти, основанная на различии критического тока SIsFS структуры в основном и метастабильном состояниях, проанализирован переход между этими состояниями с уменьшением толщины s-слоя, найден диапазон параметров, в котором SIsFS может пребывать как в основном, так и метастабильном состояниях. Определена критическая толщина сверхпроводящего перехода тонкого s-слоя для SIsFS структуры в области 0-пи перехода. В ее окрестности исследованы ток-фазовые зависимости (ТФЗ) в SIsFS структурах. Продемонстрировано существование нескольких ветвей ТФЗ в этой области, а также исчезновение ветви, отвечающей метастабильному состоянию, по мере уменьшения толщины s-слоя. Исследованы зависимости критического тока ветвей ТФЗ, отвечающих основному и метастабильному состояниям SIsFS контакта, а также значение фазы при критическом значении тока от толщины s-слоя. Показано, что в определенном диапазоне прозрачностей туннельного барьера, критические токи обоих ветвей совпадают (до момента начала разрушения ветви, отвечающей метастабильному состоянию), однако, в то время как у ветви основной состояния критическая фаза остается равной пи/2, форма метастабильной ветви ТФЗ трансформируется от синусоидальной к пилообразной, а критическая фаза смещается к значению 0 или пи. Установлено, что в том случае, когда критический ток SIs части SIsFS контакта существенно меньше амплитуды второй гармоники ТФЗ его sFS составляющей, имеет место переход к иной эволюции ТФЗ с уменьшением ds: ветвь ТФЗ, отвечающая метастабильному состоянию, остается синусоидальной и определенной для всех значений разности фаз, при этом ее критический ток подавляется быстрее, чем у основной ТФЗ. Данный результат может быть применен для организации считывания в элементах памяти на основе фазового переключения 0 и пи состояний. Модифицирована программа расчета процессов в составных джозефсоновских структурах типа S-I-(SsS)-(FN)-S и S-I-(SsS)--F-(I1I2)- S, что позволило производить вычисления при условии инжекции токов в систему через любую наперед выбранную поверхность структуры. Исследовано влияние тока, инжектированного в S-I-(SsS)-(FN)-S и S-I-(SsS)--F-(I1I2)-S структуры через боковые электроды. Показано уширение доменной стенки в случае инжекции тока в сторону 0-домена, и разрушение доменной стенки и исчезновение доменной структуры при инжекции тока в пи домен. Показано, что задание через S электроды исследуемых структур не влияет на доменную структуру s-пленки. Установлено наличие токовых вихрей в подобной структуре и обнаружена гистерезисная природа ток-фазовых соотношений вследствие нелинейного набега разности фаз в подводящем ток тонком s электроде. Разработан алгоритм численного расчета структуры абрикосовских вихрей в двуслойных SN сэндвичах, учитывающий различие материальных констант и толщин S и N материалов, а также конечную прозрачность SN границы. В рамках уравнений Узаделя в модели круглой вихревой решетки рассчитано пространственное распределение плотности состояний и сверхпроводящих токов в S и N слоях для нескольких радиусов решетки. Точность и правильность подтверждена сравнением с экспериментальными данными. Развит принцип представления логической информации в 0-пи состояниях джозефсоновского перехода с доминирующей второй гармоникой в его то-фазовой зависимости (ТФЗ). Разработан базовый элемент логики и памяти, а также интерфейс для его сопряжения со схемами быстрой одноквантовой логики. Выполнен анализ переключения базовых элементов ячеек логики и памяти, содержащих магнитные джозефсоновские контакты с несинусоидальной ток-фазовой зависимостью. Развит алгоритм расчета ток- и вольт-потоковых зависимостей би-СКВИДа, используемого для диагностики исследуемых джозефсоновских переходов и цепей на их основе. Проведена оценка линейности, достигаемая в развитом методе линеаризации отклика СКВИДа, посредством добавления контура одноконтактного интерферометра с формированием структуры би-СКВИДа. Рассчитаны динамические процессы переключения между сосуществующими фазовыми состояниями в SIsFS структурах, входящих в состав базового блока цифровых сверхпроводниковых схем фазовой логики и памяти. Выделены 4 режима работы базового блока: (1) элемент линии передачи данных, (2) согласователь, удаляющий квант магнитного потока из цепей логических схем, (3) цифровой делитель частоты пополам или T-триггер, (4) контролируемый генератор одноквантовых импульсов или осциллятор. Определены границы параметров, обеспечивающие функционирование базового блока в перечисленных режимах. Проведена оптимизация топологии ключевых элементов квантовых блоков обработки информации (цепей считывания и управления) и разработаны «адиабатические» ячейки с ультра-малой диссипацией энергии на основе: двухконтактного интерферометра-СКВИДа; СКВИДа с отрицательной связью индуктивных плеч; так называемого «н-СКВИДа»; СКВИДа с добавлением магнитного джозефсоновского контакта в пи-состоянии; н-СКВИДа с добавлением пи-контакта. При фиксированных параметрах задания тактового сигнала рассчитана динамика для конкурирующих топологий упомянутых ячеек. Показано, что использование гетероструктур с магнитными материалами в области слабой позволяет добиться наибольшей энергоэффективности при наименьшем размере структуры ячейки в плане. Концептуальные подходы радиофотоники применены для оптимизации функционала цепей, связывающих квантовые блоки обработки информации с классическим окружением. Теоретически разработан адаптивный протокол работы квантового приемника, минимизирующий ошибки детектирования квантовых состояний, который для длины «алфавита» 4 и более «символов» превосходит имеющиеся на сегодняшний день конкурентные решения. Протокол основан на кодировании квантовой информации в частоте и фазе когерентных состояний электромагнитной волны. Он использует алгоритм постериорного поиска наиболее вероятного совпадения детектируемого состояния с исходным, и учитывает дополнительную информацию, извлекаемую из времени прибытия фотонов на детектор. Показано, что, в отличие от других имеющихся протоколов, чувствительность приемника не падает с увеличением длины алфавита. Продемонстрировано также существенное преимущество данного квантового протокола по сравнению с классическими аналогами. Продемонстрирован эффект памяти: выключение магнитного поля после достижения противонаправленной ориентации намагниченности слоев не изменяет величины магнитосопротивления. Доказана возможность получения больших плотностей транспортного тока (порядка 100 А/см2 на 1 мкА транспортного тока). Установлено, что изменение критического тока контакта при перемагничивании одного из F слоев невелико (в пределах 0,5 мкА), но нелинейная форма ВАХ и большое сопротивление мостика позволяют получить изменение напряжения между состояниями, отвечающими ферромагнитной и антиферромагнитной конфигурациям векторов намагниченности F пленок, в диапазоне от 1 до 10 мкВ. Развита комбинированная технология изготовления сверхпроводниковых логических элементов, включающих одновременно туннельные джозефсоновские переходы на основе оксида алюминия и магнитные контакты (пи-контакты), с барьером из слабоферромагнитного сплава CuNi. Разработана топология и изготовлен двухконтурный СКВИД (би-СКВИД), приемное кольцо которого замкнуто через пи-контакт Nb-CuNi-Nb. Проведены измерения его вольт-потоковых характеристик. Полученные вольт-потоковые кривые имеют характерную для би-СКВИДа треугольную форму, т.е. качественно отличаются аналогичных зависимостей, характерных для одноконтурного СКВИДа.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Разработка новой элементной базы цифровой сверхпроводниковой электроники с магнитными материалами
Результаты этапа: 1. Решена задача об электронном транспорте в SF1F2S и SF1F2F3S структурах при конечных температурах. Разработан численный алгоритм для решения нелинейных уравнений Узаделя. Изучены ток-фазовые соотношения. Определены параметры структуры, при которых возникает несколько сосуществующих фазовых состояний. Исследована возможность формирования сосуществующих фазовых состояний за счет появления длинной триплетной компоненты аномальных функций Грина в ферромагнитных слоях. Определено отношение амплитуд первой и второй гармоники в ток-фазовом соотношении (ТФЗ) при различных материальных и геометрических параметрах структур. Доказано отсутствие в SF1F2S контактах предсказанного ранее [Richard et. al., Phys. Rev. Lett. 2013] превалирования амплитуды второй гармоники в ТФЗ над амплитудой первой гармоники. 2. Решена задача об электронном транспорте в джозефсоновских S - I - (SsS) -(F1 F2) - S переходах. Исследовано формирование фазовых доменных состояний в подобных структурах, а также их эволюция при инжектировании токов в боковые электроды. Дана оценка возможности использования таких устройств в качестве управляющих элементов сверхпроводниковой памяти. Определены оптимальные параметры для доменного элемента памяти и на основе микроскопического моделирование продемонстрировано его функционирование. 3. Определены оптимальные параметры считывающей дифференциальной СКВИД-структуры, обеспечивающие высокую линейность преобразования магнитного потока в напряжения с линейным динамическим диапазоном выше 100 дБ и суммарным гармоническим искажением сигнала меньше тысячной доли процента. Рассчитаны зависимости линейности преобразования магнитного потока в напряжение от отклонения параметров структуры от найденных оптимальных значений. Доказано, что использование дифференциального включения СКВИДов позволяет значительно улучшить линейность отклика по сравнению с откликом гармонической формы (уменьшить гармоническое искажение сигнала на три порядка). 4. Разработаны библиотечные элементы схем фазовой логики и памяти на базе джозефсоновских переходов с доминирующей второй гармоникой в ток-фазовой зависимости: ячейки сдвигового регистра и ячейки памяти с неразрушающим считыванием, включая варианты данных ячеек с инвертированным выходом. Продемонстрирована возможность объединения разработанных цепей на примере синтезированной ячейки памяти с раздельной записью нуля и единицы и неразрушающим считыванием. Рассчитана динамика переключения предложенных элементов. 5. Представлена концепция создания базового элемента квантовых нейронных сетей на основе всего одного потокового кубита. Выполнен сравнительный анализ различных вариантов реализации «квантового нейрона» (на основе трехконтактного, пятиконтактного, двухконтактного интерферометра). 6. Исследованы динамические процессы при распространении пробного импульса по системе сверхпроводящих "потоковых" нейронов и синапсов. Оптимизированы характеристики указанных элементов искусственных нейросетей. Разработаны библиотечные элементы для энергоэффективных потоковых сверхпроводящих нейросетей. Продемонстрированы возможности объединения в составе работоспособной нейросети предложенных "потоковых" нейронов и синапсов. 7. Разработана топология сверхпроводящего нейрона, а также контрольных структур, обеспечивающих проверку различных аспектов предложенной топологии. Разработан и внедрен технологический процесс, позволяющий изготовить экспериментальный образец. Изготовлено 4 чипа, содержащих 16 образцов нейронов с различными характеристиками. Проведены измерения вольт-потоковых характеристик и разработан метод извлечения передаточной функции. На основании проведенных измерений продемонстрировано функционирование образца в качестве нелинейного передающего устройства. На разработанную топологию подана заявка на патент РФ «Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона».

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".