JPH01201973A - 磁束量子論理素子および非同期カウンタ - 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
ンホルテソクスと呼ばれる）の伝搬を他の磁束量子によ
り制御する磁束量子論理素子に関し、例えば高速論理回
路やメモリ等に利用される磁束量子論理素子に関するも
のである。

〔従来の技術〕 従来、超伝導体でＴフリップフロップを構成するには、
第１１図に示すように、磁気結合型ジョセフソン接合４
つを用いて構成されるＴＤフリ。

プフロソプ（特願昭５７−１７４９２６号参照）Ａ１の
次段にコンブリメンタル出ツノを出ず回路Ａ２を接続し
、さらにＱ信号の出力される端子１゛３を端子Ｔ２に接
続したような構成とする必要があり、たいへん複雑な回
路構成を必要とし、その複雑な回路構成ゆえマージンが
狭く高速動作も実現できない状態にあった。なお第１１
図において、Ｔｉ、Ｔ４は端子である。

〔発明か解決しようとする課題〕

従って、発明が解決しようとする課題は、従来技術に比
較してより簡単な回路構成でフリップフロップを構成す
ることである。これは、高速動作を実現するごとにもつ
なかろ。

〔課題を解決零るための手段〕

このような課題を解決するために本発明は、超伏ノ、１
体からなる上部電極および下部電極の間に１〜ン不ルハ
１ノアか挟まれたジョセフソン接合で１方向のみに長い
構造をなし、一方の端を入力端とし他方の端を出力端と
ずろ第１〜第３のジョセフソン線路を備え、第１のジョ
セフソン線路の出力端と第２のンヨセフソン線路の入力
端との間および第１のジョセフソン線路の出力端と第３
のジョセフソン線路の入力端との間を上部電極および下
部電極ともにそれぞれ抵抗体で接続するか、あるいは上
部電極同士および下部電極同士の一方を抵抗体で接続し
他力を超伝導体で接続し、第２のジョセフソン線路の入
力端と第３のジョセフソン線路の入力端との間を上部電
極同士および下部電極同士ともにそれぞれ超伝導体で接
続し、第２のジョセフソン線路と第３のジョセフソン線
路と超伝導体とで構成される超伝導ループに磁束量子が
保持できるようにしたものである。

〔作用〕

本発明による磁束量子論理素子は、ジョセフソン線路中
を伝搬する磁束量子は一旦波形が崩れても伝搬中に自己
整形するという特徴を有しているため、多段接続して機
能回路を実現する際にも次段入力は常に一定に保たれ、
多段接続することによるマージンの低下を防止すること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を１７面を用いて説明する。

本発明の実施例は、少なくとも第１から第３までのジョ
セフソン線路を用いて構成されている。まず、ここでは
、超伝導体からムる上部電極および下部′電極の間にト
ンネルバリアが挟まれた積層構造を基体として構成され
、このような積層構造が磁束量子の伝搬方向にジョセフ
ソン侵入距離λＪの５倍程度以上の長さに構成されてい
る分布定数型線路を用いて説明する。

第１図に第１の実施例の説明図を示す。図中、１は第１
のジョセフソン線路、２は第２のジョセフソン線路、３
は第３のジョセフソン線路、４は抵抗体、５はインダク
タンス、６は超伝導体、７はトンネルバリア、Ｔ１は入
力端、Ｔ２．Ｔ３は出力端である。第１のジョセフソン
線路１の出力端と第２のジョセフソン線路２の入力端お
よび第１のジョセフソン線路１の出力端と第３のジョセ
フソン線路３の入力端との間は、それぞれ独立に抵抗体
４により接続されている。また、第２のジョセフソン線
路２の入力端と第３のジョセフソン線路３の入力端との
間はインダクタンス５で接続されているので、第２のジ
ョセフソン線路２の接合−インタフタンス５−第３のジ
ョセフソン線路３の接合−グランドプレーンの経路から
なる超伝導ループが形成されている。ここで、この超伝
導ループの大きさＬＩ積（Ｌ：超伝導ループを構成する
インダクタンスの値、■＝超伝導ループ中に含まれるジ
ョセフソン接合の臨界電流値）が第２図の斜線の部分Ｓ
ａの条件を満たすように設定する。領域Ｓａの条件にお
いては、ジョセフソン線路２に侵入した磁束量子が超伝
導ループ中に停止保持される。領域ｓｂにおいては磁束
量子は停止しない。

上記構造において、第２のジョセフソン線路２の入力端
にのみ補助バイアス電流１を供給し、第１のンヨセフソ
ン線路１中を伝搬してきた磁束量子は第２のジョセフソ
ン線路２には抵抗体４を通って伝搬するが、第３のジョ
セフソン線路３には伝搬しないように設定する。

この状態において、第１のジョセフソン線路１から磁束
量子を伝搬さゼると、磁束量子は第２のジョセフソン線
路２に侵入し、磁束量子の一方の端が第２のジョセフソ
ン線路２の出力端Ｔ　２に伝搬すると共に他方の端は第
２のジョセフソン線路２と第３のジョセフソン線路３の
間に構成された超伝導ループ中に保持される。この時、
超伝導ループ中には磁束量子に伴う周回電流か第２のジ
ョセフソン線路２の入力端では下部電極から上部電極の
方向に、第３のジョセフソン線路３の入力端では一ヒ部
電極から下部電極の方向に流れる。このため、第２のジ
ョセフソン線路２の入力端においては補助バイアス電流
１と磁束量子に伴う周回電流とがキャンセルしあい、第
３のジョセフソン線路３の入力端においては補助バイア
ス電流１が供給されたのと同じ効果となる。この状態で
次の磁束量子を第１のジョセフソン線路１から伝搬させ
ると、磁束量子はジョセフソン線路３に侵入し、ジョセ
フソン線路３の出力Ｏｉ＃ｉに伝搬すると共に、超伝導
ループ中で保持されていた磁束量子との間で対消滅が起
こり、初期状態へ戻る。

したがって、第１のジョセフソン線路１から伝搬した磁
束量子は第２のジョセフソン線路２の出力端Ｔ２と第３
のジョセフソン線路３の出力端Ｔ３とに交互に伝搬する
ことになり、Ｔフリップフロップか実現できる。

本構造における一ヒ述の分周期動作を確認するため回路
解析プロクラムを用いてシミュレーションを行なった。

第３ばに、第１の線路１と第２の線路２および第３の線
路３とを接続する抵抗体４の値Ｒｃｐおよび第２の線路
２と第３の線路３とを接続し磁束量子停止部を構成する
インダクタンスの（直しＣＰをパラメータとして、動作
マージンを調べた結果を示す。○は分周期動作力蝙育認
される動作領域Ｓ１を示し、・は線路２と線路３の両方
の線路に伝搬してしまう動作領域Ｓ２、△は線路２と線
路３のどちらの線路にも伝搬しない動作領域Ｓ３、×ば
磁束量子停止部に磁束量子が保持されていても線路３に
磁束量子が伝搬しない動作領域Ｓ４を示す。この結果か
ら、接続抵抗ＲＣＰに関しては±３０％、接続インダク
タンスし。、に関しても±３０％程度の動作マージンが
あることがわかる。

なお、第３図においては、線路のバイアス条件ＩＢ／　
Ｉ　Ｊ−０，４、補助バイアス電流１＋＋’−０，４５
ｍＡである。

以上の実施例におけるジョセフソン線路には、上述の分
布定数型ジョセフソン線路と同様に集中定数型ジョセフ
ソン線路も適用することができる。

ここで、集中定数型ジョセフソン線路とは、分布定数型
ジョセフソン線路と同様の積層構造を第１の積層構造と
したとき、この第１の積層構造部の他に、超伝導体から
なる上部電極および下部電極の間にＩ−ン不ル′１Ｅ流
が流れ得ないような膜厚の絶縁層が挟まれた第２の積層
構造部を有している。

そして、このような第１の積層構造部および第２の積層
構造部が交互に連結され、第１の積層構造部の長さをジ
ョセフソン侵入距離λ」よりも小さく形成したものであ
る。

第４図は本発明の第２の実施例を示す説明図であり、第
１図と比較して、抵抗体４ａが付加されており、この抵
抗体４ａによりジョセフソン線路ｌとジョセフソン線路
２およびジョセフソン線路１とジョセフソン線路３か下
部電極同士で接続されている。この実施例も、第１の実
施例と同様の動作を行なう。

第５図は本発明の第３の実施例を示す説明図であり、第
１図と比較して、インダクタンス４ｂが付加されており
、このインダクタンス４ｂによりジョセフソン線路１と
ジョセフソン線路２およびジョセフソン線路１とジョセ
フソン線路３が下部電極同士で接続されている。この実
施例も、第１の実施例と同様の動作を行なう。なお、第
３の実施例においては、上部電極同士を抵抗体４で接続
し、下部電極同士をインダクタンス４ｂで接続している
が、逆に、下部電極同士を抵抗体４で接続し、上部電極
同士をインダクタンス４ｂで接続しても同様の動作を行
なうものである。

第６図は本発明の第４の実施例を示す説明図であり、第
１図と比較して、ジョセフソン線路が４個のジョセフソ
ン接合１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ。

３ａ〜３ｄから構成されている点か異なる。各ジョセフ
ソン接合はインタフタンス８により」一部電極同士およ
び下部電極同士を接続されている。この実施例も、第１
の実施例と同様の動作を行なう。

第７図（ａ）、　ｔｂ＋に本発明の第５の実施例を示す
。

第７図（ａ）において、１１は第１のジョセフソン線路
、１２は第２のジョセフソン線路、１３は第３のジョセ
フソン線路、１４は第４のジョセフソン線路、１５は抵
抗体、１６はインタフタンス、Ｔ１１、Ｔ１３は入力端
、Ｔ１２．’ｒ１４は出力端である。第１のジョセフソ
ン線路１１の出力端と第２のジョセフソン線路１２の入
力端および第３のジョセフソン線路１３の出力端と第４
のジョセフソン線路１４の入力※：１．；とはそれぞれ
独立に抵抗体１５て接続されている。また、第２のジョ
セフソン線路１２の入力公１１と第４のジョセフソン線
路１４の入力端とはインタフタンス１６で接続されてい
るので、第２のジョセフソン線路１２の接合−インダク
タンス１６−第４のジョセフソン線路１４の接合−ブラ
ントプレーンの経路からなる超伝導ループ（磁束量子停
止部）が形成され、磁束母子を保持てきるようになって
いる。

第５の実施例の構造では、磁束量子停止部は３つの状態
を取り得る。１７は磁束量子が保持されていない状態、
１８は停止磁束量子に伴う周回電流が線路１２の上部電
極から線路１３の上部電極へ流れるように磁束量子が保
持されている状態、１９は周回電流が線路１３の上部電
極から線路１２の上部電極へ流れるように磁束量子が保
持されている状態であり、その状態変化は第７図（ｂ）
に示すようになる。図中、（端子Ｔｌｌへの入力、端子
］゛１３への入力）は変化を起こさせる入力、［端子ゴ
１２の出力、端子１゛１４の出力］はその時の出力を示
す。

第６の実施例を第８図を用いて説明する。第６図におい
て、２１は第１のジョセフソン線路、２２は第２のジョ
セフソン線路、２３は第３のジョセフソン線路、２４は
抵抗体、２５はジョセフソン接合直列接続体を構成する
ジョセフソン接合、Ｔ２１は入力端、Ｔ２２およびＴ２
３は出力端である。第６の実施例は、第１の実施例の磁
束量子論理素子において線路２の入力端の上部電極と線
路３の入力端の上部電極とを超伝導体（インダクタンス
）で接続することによりインダクタンスループを構成す
る代わりに、直列にジョセフソン接合２５を複数個接続
し、接合の持つカイナテノクインダクタンスによりイン
ダクタンスループを構成したものである。

第７の実施例を第９図を用いて説明する。第９図におい
て、３１は第１のジョセフソン線路、３２は第２のジョ
セフソン線路、３３は第３のジョセフソン線路、３４は
抵抗体、３５はジョセフソン接合直列接続体を構成する
ジョセフソン接合、Ｌｌはリセット入力信号ａの信号線
、３６は磁気結合している部分、Ｔ２１は入力端、Ｔ２
２およびＴ２３は出力端である。第７の実施例は、第６
の実施例の磁束量子論理素子において線路２２と線路２
３とを接続するジョセフソン接合の１つに信号線Ｌ１を
磁気的に結合させたものである。この信号線Ｌ１に入力
を加えることによりインダクタンスループ（磁束量子停
止部）中のジョセフソン接合を電圧転移させ、インダク
タンスループ中に保持されていた磁束量子を放出させる
ことができる。つまり、信号線Ｌ１は磁束量子停止部を
リセフトする働きを持つ。

第８の実施例を第１０図を用いて説明する。第１０図に
おいて、Ｍ１〜Ｍｎは第１の実施例の磁束量子論理素子
である。このように、第８の実施例は、第１の実施例の
磁束量子論理素子をｎ個用い、１番目のβ磁束量子論理
素子の２個の出力端のいずれかと１　＋　１番目の磁束
量子論理素子の入力端とを接続するという形態でｎ段接
続したものである。この実施例の構造においては、ｎ段
目の出力端′Ｉ゛０には磁束量子論理素子Ｍ１の入力端
ＴＩに入る信号の１／２’の信号が取り出される非同（
す１カウンタが実現される。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による磁束量子論理素子およ
び非同期カウンタは、ジョセフソン線路の抵抗結合分岐
の分岐部にインダクタンスループを形成できるようにし
たことにより、極めて簡単な構造でフリップフロップお
よび非同期カウンタを形成することかでき、かつ磁束量
子特有の自己整形作用を利用することにより、多段接続
によるマージンの低下を防止できるという大きな利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を説明するための説明図
、第２図はインダクタンスループ部におけるＬｌ積と磁
束量子の挙Ｚ）Ｊとの関係を示した説明図、第３図は第
１の実施例の動作モートを説明する説明図、第４図〜第
１０図は第２〜第８の実施例を説明するための説明図、
第１１図は従来の磁束量子論理素子を説明するための回
路図である。 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のジョセフソン線路、４・・・抵
抗体、５・・インダクタンス、６・・・超伝導体、７・
・・トンネルバリア、Ｔ１・・・入力端、Ｔ２．Ｔ３・
・・出力端。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）超伝導体からなる上部電極および下部電極の間に
   トンネルバリアが挟まれたジョセフソン接合て１方向の
   みに長い構造をなし、一方の端を入力端とし他方の端を
   出力端とする第１〜第３のジョセフソン線路を備え、第
   １のジョセフソン線路の出力端と第２のジョセフソン線
   路の入力端との間および第１のジョセフソン線路の出力
   端と第３のジョセフソン線路の入力端との間を上部電極
   および下部電極ともにそれぞれ抵抗体で接続するか、あ
   るいは上部電極同士および下部電極同士の一方を抵抗体
   で接続し他方を超伝導体で接続し、第２のジョセフソン
   線路の入力端と第３のジョセフソン線路の入力端との間
   を上部電極同士および下部電極同士ともにそれぞれ超伝
   導体で接続し、第２のジョセフソン線路と第３のジョセ
   フソン線路と超伝導体とで構成される超伝導ループに磁
   束量子が保持できるようにしたことを特徴とする磁束量
   子論理素子。
2. （２）請求項１記載の磁束量子素子において、超伝導体
   からなる上部電極および下部電極の間にトンネルバリア
   が挟まれたジョセフソン接合で１方向のみに長い構造を
   なし、一方の端を入力端とし他方の端を出力端とするジ
   ョセフソン線路に代えて、超伝導体からなる上部電極お
   よび下部電極の間にトンネルバリアが挾まれたジョセフ
   ソン接合の複数個をインダクタンスによる上部電極同士
   の接続および下部電極同士の接続により１方向のみに接
   続し、一方の端を入力端とし他方の端を出力端とするジ
   ョセフソン線路を備えたことを特徴とする磁束量子論理
   素子。
3. （３）請求項１記載の磁束量子素子において、第２のジ
   ョセフソン線路の入力端と第３のジョセフソン線路の入
   力端とを上部電極同士超伝導体で接続する代わりに、複
   数のジョセフソン接合を直列に接続したジョセフソン接
   合直列接続体により前記両入力端を接続することを特徴
   とする磁束量子論理素子。
4. （４）ジョセフソン接合直列接続体の複数のジョセフソ
   ン接合の少なくとも１つの接合に信号線を磁気的に結合
   させたことを特徴とする請求項１記載の磁束量子論理素
   子。
5. （５）請求項１記載の磁束量子論理素子をＮ個用い、成
   る段の磁束量子論理素子の第１または第２の出力端と次
   段の磁束量子論理素子の入力端とを接続することにより
   Ｎ段接続したことを特徴とする非同期カウンタ。