專利名稱：超導晶體管配置和相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及干涉儀的配置，具體來說，涉及晶體管的配置，例如具有超導柵極的諧振隧道效應晶體管的配置。本發(fā)明還涉及包括這種諧振隧道效應晶體管的邏輯元件。本發(fā)明還涉及控制隧道超導體配置的電導率的方法。
因此，提供一種晶體管配置，它包括源極、漏極以及基極，所述源極和漏極通過隧道勢壘連接到基極，從而構(gòu)成雙勢壘量子阱。提供第一和第二超導柵極裝置以控制源漏電流ISD。基極包含鐵磁性材料當與源漏電子的能量匹配的量子阱內(nèi)存在束縛態(tài)時，鐵磁性材料啟動源漏電子的諧振隧道效應。否則，雙勢壘量子阱阻止源漏電流、即源漏電子的傳導。但是，如果在匹配源漏電子的能量的量子阱內(nèi)存在所述束縛態(tài)，則它們將可以利用諧振隧道效應通過所述鐵磁性基極，具體為中型鐵磁性島狀物。量子阱結(jié)構(gòu)中的束縛態(tài)也稱為Andreev能級，可以說是由超導柵極裝置提供和控制的。
根據(jù)本發(fā)明，輸出電導率(G)取決于第一和第二參數(shù)，并且提供第一和第二控制裝置，它們通過控制所述參數(shù)來控制輸出電導率。第一參數(shù)是第一和第二超導電極之間的相位差Δ，第一控制裝置被提供以便可以控制所述相位差。所述第一控制裝置可以以不同的形式提供。根據(jù)一個最優(yōu)實現(xiàn)方式，第一控制裝置包括用于改變由加在兩個超導柵極之間的控制電流源所提供的超導電流IG的裝置。
在另一個實施例中，第一控制裝置包括連接第一和第二超導柵極以構(gòu)成回路的裝置和用于將磁場作用于所述回路的裝置。
決定輸出電導率的第二參數(shù)是所述鐵磁性基極的交換互作用勢(能)。第二控制裝置最好包括電壓源且向所述鐵磁性基極供給電壓(VB)。根據(jù)本發(fā)明，輸出電導率G由ΔISD/ΔVB得出，因此它與兩超導體之間的量子力學相位差Δ和VB有極大相關(guān)性。為了得到特定的高電導率，或根據(jù)特定實現(xiàn)方式得到特定輸出信號，對相位差Δ進行控制，使之基本等于(2n＋1)，其中n=0，±1，...。最好所施加的電壓VB應該基本對應于所述鐵磁性基極的互作用能2h0/e。如果Δ不等于π的奇數(shù)倍，則基本不存在諧振隧道效應，電導率與(透明度)2(即，源極-漏極的傳輸)存在比例關(guān)系，即對于任何施加的電壓VB，電導率都會很低。但是，如果VB基本等于或接近于2h0/e，經(jīng)過柵極的超導電流IG的變化將導致輸出電導率產(chǎn)生大范圍的變化。這是因為Andreev能級將集中于交換能量h0的附近，從而顯著地增強諧振隧道效應。因此，如果將所施加的電壓VB減到遠低于2h0/e的值，則電子的宏觀諧振傳輸將被斷開，以及電導率G對相位差變化的靈敏度也就消失。這意味著，根據(jù)本發(fā)明，僅當?shù)谝缓偷诙?shù)同時滿足所給定的要求，即，當IG(以適當?shù)姆绞疆a(chǎn)生的超導電流)和VB都存在時，才會觀察到非常高電導率或輸出信號。
具體地說，在Δ＝2(n＋1)×π和VB=2h0/e的情況下得到最大輸出電導率。在最優(yōu)實施例中，源極和漏極包含普通金屬，如Au，Ag，Bi。超導柵極最好由Pb，Al，Nb，Yt，Ba，CuO制成，但也可以使用其他替代元素?？梢圆捎酶邷爻瑢?high-TC)材料，也可以采用非high-TC材料。在最優(yōu)實現(xiàn)方式中，鐵磁性基極包含La，Sr，Ca，MnO，但也可以使用其他鐵磁性材料。
在一個特定實現(xiàn)方式中，這種配置構(gòu)成邏輯“與”元件，但僅當Δ≈2(n＋1)×π和VB≈2h0/e時，即當同時輸入或激活VB和IS時才會有輸出信號。
在一個特定的實現(xiàn)方式中，所述鐵磁性基極是中型的。
根據(jù)本發(fā)明，邏輯元件也可以由諧振隧道效應晶體管構(gòu)成，它包括源極和漏極，通過隧道勢壘分別與所述源極和漏極連接的基極以及用于控制源漏電流ISD的第一和第二超導柵極?；鶚O包含鐵磁性材料，具體為中型鐵磁性材料島狀物，為了提供對應于高電導率的輸出信號，提供第一輸入信號以產(chǎn)生為(2n＋1)π的超導柵極之間的相位差，第二輸入信號(形式為電壓VB)施加于鐵磁性基極，其電壓大約對應于所述鐵磁性基極的相互交換能量2h0/e。
具體地說，對應于應該較高所述輸出導電性的輸出信號由第一和第二參數(shù)分別決定，并且設(shè)置第一和第二控制裝置以便控制所述輸出電導率，其中所述第一和第二控制裝置必須被激活以提供輸出信號。第一輸入信號具體地說由第一控制裝置提供，第一控制裝置包括用于改變超導電流的裝置，包括電壓源的第二控制裝置提供電壓VB。在一個特定實現(xiàn)方式中，第二控制裝置包括連接第一和第二超導柵極以提供回路或構(gòu)成回路的裝置和用于將磁場作用于所述回路以產(chǎn)生π的奇數(shù)倍相位差的裝置。另外，所述的第一控制裝置可包括用于改變超導電流(如控制電流源)以影響所述相位的裝置。第二控制裝置尤其是包括提供電壓VB的電壓源。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種電路，它包括許多邏輯元件，其中至少有一些“與”元件包含根據(jù)權(quán)利要求15-18之一的邏輯元件。
特別提供一種控制諧振隧道效應超導配置(例如晶體管)的電導率的方法。所述晶體管包括源極和漏極；通過隧道勢壘與所述源極和漏極分別連接的基極，所述基極構(gòu)成雙勢壘量子阱；以及控制源漏電流的第一和第二超導柵極。所述方法包括如下步驟-控制兩個超導柵極之間的相位差，使之具有使諧振隧道效應啟動的值；-對所述基極施加電壓，以利用提供的Andreev能級(即量子阱中的束縛態(tài))啟動電子的傳導。尤其是，所述方法包括施加接近對應于包括鐵磁性材料的相互交換能量的2h0/e的電壓，并提供兩超導柵極之間的相位差，所述相位差對應于(2n＋1)π，其中n＝0，±1，...。提供π奇數(shù)倍的相位差可以通過多種方式來完成，如將兩超導柵極互連以構(gòu)成回路，并在所述超導回路上施加磁場?；蛘撸梢允褂?例如)控制電流源產(chǎn)生流經(jīng)所述兩個超導體的超導電流IS來改變超導電流IG，從而控制所述相位差。
附圖簡介下面將參照附圖不限形式地對本發(fā)明予以說明

圖1說明根據(jù)本發(fā)明的晶體管配置的第一實施例；圖2說明根據(jù)本發(fā)明的配置的第二實施例；圖3A示意說明占用不同能帶的反向自旋的電子；圖3B是如圖3A所示反向自旋的電子的另一種說明，它明確地表示交換互作用能量h0；圖4A示意說明根據(jù)本發(fā)明的配置的電導率振蕩；圖4B示意說明圖4A中所發(fā)生的空穴電子交換；圖5示意說明諧振與所施加能量和相位差的相關(guān)性；圖6說明了不同相位差的電流電壓特性曲線。
發(fā)明詳細介紹圖1說明根據(jù)本發(fā)明的諧振隧道效應晶體管配置10。源極S1和漏極D2通過隧道勢壘4，4與根據(jù)本發(fā)明包括鐵磁體的基極3連接。特別是它包含中型鐵磁性“島狀物”?；鶚O3也與超導柵極裝置連接，具體地說與控制源-漏電流ISD的第一和第二超導柵極5，6(SC，SC)相連接。
源極和漏極1，2具體地說可以包括普通金屬，它們可以說是構(gòu)成了普通金屬電子儲存器。隧道勢壘4，4使基極3構(gòu)成雙勢壘量子阱，用于阻止電流流經(jīng)源極和漏極之間，除非與源漏電子的費密能量匹配的量子阱內(nèi)存在束縛態(tài)。如果存在這種束縛態(tài)，則源漏電子將可以利用諧振隧道效應通過基極3。量子阱中的束縛態(tài)也稱為Andreev能級，可以由超導柵極5，6控制。
現(xiàn)在將對量子阱中的束縛態(tài)現(xiàn)象即所說的Andreev能級進行說明。當電子嘗試從普通金屬經(jīng)隧道進入超導體時，在金屬和超導體之間的界面處主要有三個電子散射過程。這些散射過程包括電子傳導，電子反射和上述的Andreev反射。Andreev反射是由于如下因素在界面的普通金屬一側(cè)，存在傳導電子和空穴，而在超導體一側(cè)，存在反向自旋的電子庫柏對。這樣嘗試經(jīng)隧道進入超導體的電子就必須在超導體一側(cè)構(gòu)成庫柏對，這可以通過下面的量子力學現(xiàn)象來實現(xiàn)在電子經(jīng)隧道進入超導體的同時，反射一個其動量與電子動量相反的空穴。其反向過程(即，當空穴從金屬一側(cè)入射到超導體時)通過類推可以被表示為從所述超導體清除一個庫柏對。
另一方面，如果所述金屬是鐵磁體，所述電子的自旋與晶體電子的自旋互作用。其結(jié)果將會是，向上自旋和向下自旋的電子的能量差為電子自旋與鐵磁體的自發(fā)磁矩的互作用能h0。因此，在Andreev反射的情況下，兩個反向自旋的電子離開鐵磁體，在超導體中形成庫柏對。這就意味著，在Andreev反射之后，反射的空穴具有與入射電子自旋反向的自旋，且由此它們的能量差為磁能h0。(所述磁能必須低于超導體的能隙，否則無法形成庫柏對。)因此，通過圖1和圖2中鐵磁性島狀物形式的基極3的電子遷移是通過這種Andreev反射的電子和空穴來實現(xiàn)的。入射到鐵磁性超導體界面上的電子將以空穴的形式被反射，然后當所述空穴入射到對面的鐵磁性超導體界面時，將以電子的形式被反射；接著電子又入射到對面的鐵磁性超導體界面時，又以空穴的形式被反射，如此往復循環(huán)。這種持續(xù)的反射或束縛態(tài)構(gòu)成了所謂的Andreev能級。
這證明，如果入射電子的能量(E)等于h0，則電子和空穴的動量相等。在此情況中，空穴被反射的方向與入射電子正相反，而空穴將會完全地重復電子的(經(jīng)典)軌道運動。這意味著，沿任何接近電子空穴軌道的相位增益將為零，與軌道的形式和長度無關(guān)。這是一種通過鐵磁體中Andreev能級的正常運輸情況。
對通過鐵磁性區(qū)域的Andreev能級的正常運輸?shù)姆治霰砻?，傳輸電流取決于(能量E的)入射電子發(fā)送到另一個儲存器(即另一個電極)的概率和以與費密能級有關(guān)的能量-E的空穴的形式反射回去的概率。電子(空穴)在鐵磁性基極中的移動可以為彈道散射形式的，這取決于鐵磁性島狀物的尺寸是大于還是小于電子的自由行程長度。如果小于電子的自由行程長度，則只會在鐵磁性超導體邊界以Andreev反射的形式發(fā)生散射，以及在電極儲存器(源極或漏極)與鐵磁性基極之間的勢壘處發(fā)生散射。
這種配置的交換時間t屬Λ/VF階，Λ為電子的特征轉(zhuǎn)移距離，VF為電子的費密速度。
對于散射鐵磁體，Λ＝L2/li，其中L是此裝置的典型長度，li是電子在此鐵磁體中的平均自由行程。如果L＝5×10-5厘米，l1＝10-6厘米，則交換時間將是25×10-12秒。對于彈道式鐵磁體，Λ＝L，而交換時間為t＝5×10-13秒。(上面所提供的數(shù)字值僅用于說明)。
圖1顯示的是本發(fā)明配置10的第一實施例。源漏電流，即源極1和漏極2之間的傳輸電流ISD由電子經(jīng)過鐵磁性基極(FM)3從源極S傳送到漏極D的概率確定。如果產(chǎn)生諧振隧道效應后電子的能量滿足Andreev能級，則此概率等于1，在其余的情況中，這個值都遠小于1。如果控制電流源(圖中未標出)施加到兩個超導柵極(SC)5，6之間，產(chǎn)生控制電流IG，則在與基極3相接觸的兩個超導體5，6的波函數(shù)之間出現(xiàn)量子力學相位差Δ。輸出電導率G＝ΔISD/ΔVB證明與所述相位差有極大的相關(guān)性。如果相位差Δ不等于(2n＋1)π，則將不會有諧振隧道效應，且與該透明度的平方成比例的電導率將會很低，而與所施加的電壓VB無關(guān)。
但是如果相位差Δ等于(2n＋1)π或π的奇數(shù)倍，且同時施加的電壓VB接近于鐵磁性基極的交換勢能2h0/e，則所述電導率將大大增加。這是因為鐵磁體中的Andreev能級將集中于交換能量h0的附近，從而在此處發(fā)生從源極到漏極的電子諧振傳輸。因此，輸出電導率G取決于構(gòu)成所述第一和第二參數(shù)的兩個參數(shù)Δ和VB。當VB接近于2h0/e時，通過這些柵極(即超導體電極)的超導電流IG的變化將在很大程度上改變輸出電導率。如果將所施加的電壓VB降低，則宏觀諧振傳輸將被斷開，以及電導率G對相位差Δ的靈敏度也隨之消失。因此，只有在兩個參數(shù)均滿足第一和第二控制裝置所提供的給定的條件、即IS和VB都存在時，才會有輸出信號或很高的電導率。所以這種配置可以被稱為邏輯“與”元件。
根據(jù)圖1所示的實施例，第一控制裝置包括控制電流源，控制電流源產(chǎn)生控制電流IG，以影響所述相位，從而實現(xiàn)相位差控制。
在圖2所示的另一個配置20中，這樣設(shè)置互連裝置7，使得第一和第二超導體柵極5，6形成回路，該回路上有外加磁場，這樣超導電流流經(jīng)超導體，以便以此方式達到控制相位差的目的。
第二控制裝置包括向圖1的配置10和圖2的配置20中的鐵磁性基極施加電壓VB的電壓源8?，F(xiàn)在參照圖3A-6對其工作原理予以透徹的說明。
如上所述，對于也稱為Andreev干涉儀的超導體-鐵磁體-超導體配置的電導率，由于當給出或滿足有關(guān)所施加電壓和所產(chǎn)生相位差的某些條件時產(chǎn)生正常電子通過Andreev能級的諧振傳輸產(chǎn)生劇烈的電導率波動。在使用普通導體作為基極的結(jié)構(gòu)中，顯然這種中型系統(tǒng)的電導率對超導體相位差的靈敏度很高；有關(guān)示例，參見C.J.Lamberg和R.Raimondi在J.Phys.Condens.Matter，10，901(1997)上發(fā)表的文章。如上所述，這是因為普通金屬和超導體之間的界面處的Andreev散射所致的準粒子的量子干擾所致。起因是超導冷凝的相位強加于普通金屬的準粒子波函數(shù)上。從而隨著兩超導體之間的相位差產(chǎn)生普通金屬電導率的顯著波動。如上所述，普通金屬中能量低于超導體能隙的單個電子無法進入超導體，但是在Andreev反射情況下，入射電子轉(zhuǎn)換成反向自旋的空穴。自旋反向不影響非磁性普通金屬的干擾特性，因為所有的能級相對于自旋方向會產(chǎn)生兩倍的簡并，但是在鐵磁體中，由于鐵磁體自發(fā)磁距與電子自旋的互作用(下文將稱為(交換)互作用能量h0)而使此簡并被提升。
在圖3A中，說明反向自旋的電子是如何占用不同能帶的。在該圖中，E對應于費密能量，εF表示費密能級，P表示脈沖輸入。向上指的箭頭表示向上自旋，而向下指的箭頭表示向下自旋。此處假定向上自旋的電子占用能量E＝(p2/2m)＋h0的能帶，在圖3A中表示為第一能帶11，而向下自旋的電子(具有能量E＝(p2/2m)－h(huán)0)占用圖中12所表示的能帶。與Andreev散射相關(guān)的自旋方向的變化使反射的準粒子從一個能帶漂移到其影響為量子干擾的另一個能帶。
在圖3B中，交換互作用能量h0以圖示的方式被明確地表示，同樣箭頭分別表示向上和向下自旋的電子。在其他方面，圖3B與圖3A的情況類似。
圖4A顯示的是如圖1和圖2所示配置的一個剖面，其中包括了超導柵極(SC)5，6，鐵磁性基極(FM)3以及構(gòu)成電子儲存器的源漏極(S，D)1，2。如前所述，超導體之間的相位差可以改變，例如通過改變電流，或者通過將磁場施加于由所述超導體5，6和互連裝置(未標出)或以制成回路形狀以便使超導電流流動的超導體構(gòu)成的超導回路。在此圖中，I1和I2分別表示超導體/鐵磁體界面和鐵磁體/超導體界面。此圖中所示的也可以說是Andreev干涉儀，且假定此干涉儀的鐵磁性中型部分是散射的，內(nèi)部的準粒子的移動是半經(jīng)典的，即費密波長λF是系統(tǒng)中最短長度的情況。如果這些條件都被滿足，則可以使用電子和空穴的經(jīng)典軌跡來分析系統(tǒng)中的電荷傳導。有關(guān)示例，參見H.A.Blom等人在Phys.Rev.B 57，9995(1998)上發(fā)表的文章，同時它也以參考的形式在此處被并入。Andreev反射的順磁效應本質(zhì)上修改了Andreev能級的構(gòu)成。向上自旋 /向下自旋 的電子的動量和向上自旋 /向下自旋 的所反射的空穴的動量由如下表達式給出p↑↓e=(pF2+2m(E±h0))1/2]]>p↑↓h=(pF2-2m(E±h0))1/2]]>
E是從費密能級εF測得的入射電子的能量，PF是費密動量以及m是電子的質(zhì)量。這證明，相對于非磁性的情況，在費密能級(E≈0)附近，鐵磁體中的電子和空穴的動量是不同的，如果h0足夠大的話(通常h0大于Thouless能量)，則因破壞性干擾而使干擾效應不存在。這說明超導電導率和磁序化之間存在沖突。但是，在施加有限的電壓VB的情況下，非超導傳導中的干擾效應可能存在。
如果能量|E|≈h0，則Andreev反射情況下的準粒子動量的變化很小，而速度卻顯著變化，基本消除了相位增益，包括超導邊界的電子空穴轉(zhuǎn)換。當E＝h0時，任何一條這樣的軌跡都會閉合，因為電子的動量與反向自旋空穴的動量是相同的，同時相同的速度具有相反的方向；在Δ＝(2n＋1)π(其中n＝0，±1，...)時，這種消除過程得以完成，而與幾何形狀和長度無關(guān)。根據(jù)Bohr-Sommerfield量子化，所有這樣的軌跡都屬于一個相同的能級。這意味著E＝h0時的能級被極大地簡并，簡并數(shù)為N1≈S/λF2，其中S是超導體-鐵磁體-超導體結(jié)合處的橫截面積。就非磁性情況進行類推，Andreev能級的中型簡并的可能性導致電導率的巨大波動，因此相應地，非超導傳導對超導體相位差Δ具有很高的靈敏度。
在圖4A中，兩個正常電子的電子儲存器源漏極1，2(參考符號與圖1和圖2中相同)通過低透明度tr＜＜1的勢壘4，4與屬于中型尺寸的鐵磁體基極3弱連接。假定電壓VB(未標出；比較圖1)被施加于兩個電子儲存器即源漏極1，2，以使普通電流I流經(jīng)異結(jié)構(gòu)的鐵磁性基極。實際情況是正常反射在鐵磁體和超導體之間的邊界(以下表示為FM-SC邊界)處伴隨有Andreev電子空穴散射。因此，其原因是存在勢能勢壘(或金屬的費密速度差)，一般存在于FM-SC界面。通常這種散射抑制電子能譜對如下情況的超導體相位差的靈敏度將Andreev能級轉(zhuǎn)換成因空間量子化而在被隔離的金屬中產(chǎn)生的那種能級。但是，通過Andreev能級的諧振隧道效應要求正常反向散射的影響要小。假定正常反射的概率遠小于1，而正常反射的絕對值平方加Andreev反射概率的平方等于1。
根據(jù)C.J.Lambert在J.Phys.Cond.Matter 3，6579(1991)；Cond.Matter 5，707(1993)中所討論的Landauer-Lambert方程式，電流和電導率由從儲存器進入的電子經(jīng)歷電子空穴傳導的概率確定。在較小的能量間隔|E－h(huán)0|＜＜ETh中，其中ETh＝hD/L22π是Thouless能量，D是散射因子，L是兩超導體之間的距離，不存在破壞性干擾，而且通過Andreev能級的諧振隧道效應的影響決定了超導體相位差＝(2n＋1)π周圍的電導率G()具有陡的最大區(qū)。|E－h(huán)0|應該遠小于Thouless能量的這一條件滿足的話，則可以認為與FM-SC邊界處的Andreev反射有關(guān)的電子和空穴的軌跡按傳統(tǒng)觀點是不可區(qū)分的。注入的電子(或空穴)會經(jīng)歷勢能上的分裂。
可以認識到對電導率的相位靈敏部分的主要貢獻來自如圖4A和圖4B所示的軌跡，它們具有如下特點它們包括相等的電子和空穴部分，使得沿這種軌跡的相位增益可以被極大地補償，并且在不同的FM-SC邊界處會出現(xiàn)沿這種軌跡連續(xù)的正常反射?？梢愿鶕?jù)兩個連續(xù)反射之間路徑的區(qū)間上的振幅 (其中n＝0，±1，±2，...是區(qū)間編號；而上標e或h分別表示振幅屬于其中電子軌跡或空穴軌跡)求得沿這樣的路徑的傳輸振幅。電子軌跡以連續(xù)線表示，而空穴軌跡以短劃線表示。在圖4b中以圓點表示的FM-SC邊界處的這些反射點上，振幅連續(xù)穿過2×2的單式矩陣；其單元為Andreev和正常反射的振幅，參見A.L.Shelankov在Pis′ma Zh.Eksp.Teor.Fiz.32，122(1980)(JETP Lett.)；G.E，Blonder等人在Phys.Rev.B25，4515(1982)發(fā)表的文章。區(qū)間0(圖4b中的點I和II)左邊和右邊的電子和空穴振幅彼此相連，到儲存器的引線上的振幅穿過2×2的單式矩陣，這說明了鐵磁體與儲存器引線之間勢壘處的散射。通過與這些振幅比較，得到振幅an(e，h)(n＝0，±1，...)的一組線性代數(shù)方程式，其右側(cè)與勢壘的透明度tr成正比。這組方程式的系數(shù)取決于能量E和通過相位增益的長度。
在不純凈的金屬中，兩相鄰區(qū)間上的軌跡具有顯著不同的形狀，因此它們的長度是完全不相關(guān)的。從這些比較方程式，得出如下結(jié)論問題相當于找出沿勢壘的無序一維鏈的量子移動的概率振幅，這些勢壘的透明度是t2≡|rN|2＜＜1換言之，問題被簡化為通過在勢壘的一維鏈中形成的量子狀態(tài)的、其空間位置無序的的電子的諧振傳輸。這種狀態(tài)已知是局部性的，而我們感興趣的是那些局限于包含注入點的區(qū)間周圍的狀態(tài)。在圖4A中，說明的是Andreev反射，如果相位差等于(2n＋1)π，則允許沿相同的軌跡傳導。
圖5說明與所施加能量或所施加電壓有一定函數(shù)關(guān)系的電導率的靈敏度(此處相對電導率G/Go)。連續(xù)線對應于Δ為π的奇數(shù)倍時的情況，點線對應于Δ＝1.1×π的情況，短劃線對應于Δ＝1.2×π的情況，且G0=2e2N⊥tr/h]]>以及所施加電壓為V。因此，正如所見到的，如果Δ是π的奇數(shù)倍，且在兩個邊界，正常反射相同，則在鐵磁體基極中電子空穴對的順時針和反時針運動之間存在對稱性，能級h0被簡并。在此條件下，通過Andreev能級的諧振傳輸在施加電壓V＝2h0/e時出現(xiàn)最大值，且將觀察到電導率的諧振峰值。此處也假設(shè)h0/Eth＝1。
圖6中示出對于相位差＝π(連續(xù)線)，Δ＝1.1π(點線)，以及＝1.2π(短劃線)的電流電壓特性曲線。在低電壓的情況時(遠小于2h0/e)(如果未簡并，則標準為2h0/e)，存在通過單個Andreev能級的準粒子諧振隧道效應且電流電平很低。當V≈ 2h0/e，即V＝VB且Δ＝π時，Andreev能級集中于h0附近且存在通過所有開放橫向方式N的同時諧振傳輸，導致電流的突變。隨著電壓進一步增加，更多的載流子再次以諧振方式貫穿各分離的Andreev能級，可觀察到電流增長較慢。當Δ偏離π時，集中于h0附近的Andreev能級的數(shù)量降低，從而導致電流對電壓的靈敏度的降低。假定I0=2e2N⊥tr2h0/e,]]>總之，如果A9≈π且VB≈ 2h0/e同時滿足時，電導率達到峰值。
在上述示例中，涉及包括散射鐵磁性導體的實施例。但是，導致電導率和傳輸電流對超導體相位差和施加電壓的高靈敏度的貫穿彈道中型鐵磁體的諧振涉及本發(fā)明范圍內(nèi)的另一個實施例。
權(quán)利要求
1.一種干涉儀配置(10，20)，它包括源極(1)和漏極(2)；通過隧道勢壘與所述源極(1)和所述漏極(2)連接的基極(3)，從而所述基極構(gòu)成雙屏蔽量子阱；以及第一和第二超導柵極(5，6)，后者用以控制源漏電流(ISD)；其特征還在于所述基極(3)包括當量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)存在與所述源漏極能量一致的束縛態(tài)時啟動所述源漏極的諧振隧道效應的鐵磁性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的干涉儀配置，其特征在于它包括晶體管配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的干涉儀配置，其特征在于所述輸出電導率(G)取決于第一和第二參數(shù)，并且設(shè)置第一和第二控制裝置(7，8)以控制所述輸出電導率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的配置，其特征在于所述第一參數(shù)是第一和第二超導電極(5，6)之間的相位差(Δ)，以及所述第一控制裝置7)用于控制所述相位差(Δ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的配置，其特征在于所述第一控制裝置包括用于提供由加在兩個超導柵電極(5，6)間的控制電流源供給的流經(jīng)所述柵極的超導電流IG的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的配置，其特征在于所述第一控制裝置包括連接所述第一和第二超導柵極(5，6)以構(gòu)成回路(8)的裝置和向所述回路施加磁場的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任何一個的配置，其特征在于所述第二參數(shù)是所述鐵磁性基極(3)的交換互作用能量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的配置，其特征在于所述第二控制裝置包括電壓源(8)，以及電壓(VB)加到所述鐵磁性基極(3)上。
9.至少根據(jù)權(quán)利要求4和8的配置，其特征在于為了提供高電導率(G)或輸出信號，所述相位差(Δ)被基本控制為(2n＋1)π；n＝0，±1，...，以及所述施加的電壓(VB)基本對應于所述鐵磁性基極的所述互作用能量(h0/e；2h0/e)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的配置，其特征在于在Δ＝(2n＋1)π和VB＝2h0/e的情況下，存在最大輸出電導率。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一個的配置，其特征在于所述源極和所述漏極(1，2)包括普通金屬，如Au，Ag，Bi；所述超導柵極包括例如Pb，Al，Nb，Yt，Ba，CuO，以及所述鐵磁性其電極包括例如La，Sr，Ca或MnO。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一個的配置，其特征在于所述鐵磁性基極(3)是中型的(mesoscopic)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的配置，其特征在于它構(gòu)成邏輯“與”元件，當Δ＝(2n＋1)π且VB＝2h0/e或?qū)谒龌鶚O的所述互作用能量時，即當輸入VB和IG兩者時提供輸出信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至12中任何一個的配置用作邏輯“與”元件。
15.一種邏輯元件，它包括諧振隧道效應干涉儀，具體地說包括一種晶體管，后者包括源極和漏極；所述源極和所述漏極分別通過隧道勢壘連接的基極；以及安排來控制所述源漏電流ISD的第一和第二超導柵極，其特征還在于所述基極包括鐵磁性材料；以及為了提供對應于高電導率的輸出信號，提供第一輸入信號和第二輸入信號，所述第一輸入信號保證所述兩超導柵極之間相位差是(2n＋1)π，所述第二輸入信號是加到所述鐵磁性基極的所述電壓VB、它大約對應于所述鐵磁體的所述互作用交換能量(2h0/e)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的邏輯元件，其特征在于對應于所述輸出電導率的所述輸出信號分別取決于第一和第二參數(shù)，以及提供了第一和第二控制裝置以控制所述輸出電導率，所述第一和第二控制裝置兩者必須被激活以便提供輸出信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的邏輯元件，其特征在于所述第一輸入信號由包括產(chǎn)生超導電流的裝置的第一控制裝置提供，以及所述第二控制裝置包括提供所述電壓VB的電壓源。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中任何一個的邏輯元件，其特征在于所述第一控制裝置包括連接所述第一和第二超導柵極的裝置和向所述回路施加磁場產(chǎn)生為π的奇數(shù)倍的相位差的裝置。
19.一種電路，它包括許多邏輯元件，其中至少一些所述邏輯“與”元件包括根據(jù)權(quán)利要求15至18中任何一個的邏輯元件。
20.一種控制隧道效應超導干涉儀(例如，晶體管)的電導率的方法，其中所述晶體管包括源極和漏極；通過隧道勢壘與所述源極和所漏極分別連接的基極，所述基極構(gòu)成了雙勢壘量子阱；以及控制所述源漏電流的第一和第二超導柵極，其特征還在于所述基極包括鐵磁性材料，以及所述方法包括如下步驟-控制所述超導柵極之間的相位差以便在所述量子阱中提供啟動諧振隧道效應的束縛態(tài)，-向所述包括鐵磁性材料的基極施加這樣的電壓，使得所述諧振隧道效應具有較高的值，從而提供較高的或基本上最大化的電導率。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于還包括如下步驟-施加接近于所述鐵磁性基極的互作用交換能量所對應的2h0/e的電壓，-提供相位差Δ＝(2n＋1)π。
22.權(quán)利要求21的方法，其特征在于為了提供等于π的奇數(shù)倍的相位差，它包括如下步驟連接所述超導柵極以形成回路，施加穿過所述超導回路的磁場。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于包括如下步驟-通過產(chǎn)生經(jīng)過所述超導電極的超導電流IG來控制所述超導柵極之間的相位差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種干涉儀配置(10),它包括:源極(1)和漏極(2);通過隧道勢壘連接到源極(1)和漏極(2)的基極(3),從而所述基極構(gòu)成雙勢壘量子阱;以及用以控制源漏電流(I
文檔編號H01L39/22GK1328702SQ9981377
公開日2001年12月26日 申請日期1999年11月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月27日
發(fā)明者Z·伊瓦諾夫, R·舍克特, A·卡蒂羅波夫, T·克萊松, M·榮松, E·韋克博里 申請人:艾利森電話股份有限公司