位相エンジニアリングで拓く100GHz超・極低電力半磁束量子回路の学理と応用

通过相位工程开发的超100GHz超低功耗半磁通量子电路原理与应用

• 批准号: 16H02340
• 负责人: 藤巻 朗
• 金额: $ 28.45万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-01 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16H02340/
• 关键词: 半磁束量子回路; 単一磁束量子回路; π接合; 磁性ジョセフソン接合; 超伝導位相エンジニアリング; 単一磁束量子; 半磁束量子; 超伝導材料・素子; 電子デバイス・機器; 超伝導集積回路; 位相エンジニアリング; 超伝導

本研究で提案・研究を進めてきた半磁束量子回路は、超伝導巨視的波動関数の位相が強磁性体内の交換相互作用によりπだけシフトすることを利用したπシフトジョセフソン接合（以降、π接合）をベースとしている。本研究では、高速動作を念頭に置き、超伝導体‐強磁性体‐トンネル障壁-超伝導体の4層構造を持ったジョセフソン接合を想定した。超伝導体にはNb、強磁性体にはPdNi合金、トンネル障壁はAlOxを用いている。平成29年度までに、半磁束量子回路の構成法には、いくつかの種類があることを数値計算によって明らかにした。その中で、もっとも高速性と低消費電力性に優れた方式は、従来のジョセフソン接合（以降、0接合）とπ接合、それぞれ1個を超伝導ループに持つ0-π SQUIDを、確立された単一磁束量子回路の単独0接合と置き換える方式である。精度の高い見積もりは今後の課題であるが、1.5倍以上の高速性、7割以上の低消費電力化が見込まれる。回路の重要な品質パラメータとなる電力・遅延積で評価すると、1桁以上の向上が期待できる。平成30年度は、この半磁束量子回路の具現化を試みた。しかしながら、実際に、0接合とπ接合を同一基板上にパラメータを制御しつつ集積化することは困難である。そこで、π接合3個によって構成されるSQUID（π3 SQUID）を0-π SQUIDの代わりに用いることとした。幾つかのレイアウトを設計し、現在試作を進めている段階である。π3 SQUIDの幾つかは、0-π SQUIDとして振舞うことを示唆する実験結果を得ている。今後は、π接合の作製制御性を高めると同時に、産総研の協力を得て、単一磁束量子集積回路上にπ接合を形成することを計画している。この方法の採用により、直接的に0-π SQUIDの形成が可能となり、一気に集積度の高い半磁束量子回路の作製が可能となると考えている。

を で proposal, research into this study め て き た half magnetic quantum loop は, super 伝 beam guide giant depending on the number of fluctuations masato の phase が strongly magnetic body の exchange interaction に よ り PI だ け シ フ ト す る こ と を using し た PI シ フ ト ジ ョ セ フ ソ ン joint (onwards, PI joint) を ベ ー ス と し て い る. This study で は, high-speed action を thought に き, ultra strong 伝 ‐ conductor magnetic body ‐ ト ン ネ ル barrier - super 伝 conductor の 4 layer structure を hold っ た ジ ョ セ フ ソ ン joint を scenarios し た. Super伝 conductor に Nb, strong magnetic body に <s:1> PdNi alloy, ト <s:1> ネ ネ <s:1> barrier <s:1> AlOxを for <s:1> て る る る る る る る る る る る る る る る を for を barrier を alox を. 29 annual pp.47-53 ま で に, half magnetic quantum loop の beam method に は, い く つ か の kinds が あ る こ と を the numerical calculation に よ っ て Ming ら か に し た. そ の で, も っ と も recommend suite と low power consume に optimal れ は た way, 従 の ジ ョ セ フ ソ ン joint (onwards, 0 joint) と PI joint, そ れ ぞ れ 1 を super 伝 guide ル ー プ に hold つ SQUID 0 - PI を, establish さ れ た 単 a bundle of magnetic quantum circuits の 単 alone 0 joint と buy き in え る way で あ る. High precision <s:1> is accumulated in the future <s:1> topics であるが, high-speed performance of more than 1.5 times <s:1>, and low-consumption electrification of more than 7 times が are seen in 込まれる. Loop の important quality な パ ラ メ ー タ と な る power, 遅 delay product で review 価 す る と, up more than one girder の が expect で き る. In the 30th year of the Heisei era, the を and <s:1> <s:1> materialization attempts of semi-magnetic beam quantum circuits <e:1> were conducted みた. し か し な が ら, the event be に, 0 joint と PI joint を with fundamental plate に パ ラ メ ー タ を suppression し つ つ set product change す る こ と は difficult で あ る. そ こ で bonding three PI, に よ っ て constitute さ れ SQUID る SQUID (PI) SQUID を 0 - PI の generation わ り に with い る こ と と し た. Several レ レ アウトを design である, now try to make を into めて る る stage である. The π3 SQUID shows several と とを て, 0-π SQUIDと て, う う とを とを, and する experimental results を て て る る. Future は bonding の cropping system PI, royal を high め る と に at the same time, production 総 research の together を て, 単 に product back to the way a magnetic quantum beam set PI joint を form す る こ と を project し て い る. こ の way の using に よ り SQUID, direct に 0 - PI の may form が と な り, a 気 に set high degree of product の い half が may the magnetic quantum beam loop の cropping と な る と exam え て い る.

项目成果

Monolithic image sensor chips with highly sensitive single-flux-quantum readout circuits

具有高灵敏度单通量量子读出电路的单片图像传感器芯片

• 发表时间: 2017
• 作者: A. Fujimaki;K. Kamiya;H. Iwashita;M. Tanaka;A. Bozbey
• 通讯作者: A. Bozbey

100万画素中性子イメージングに向けた超伝導細線検出器アレイと単一磁束量子読み出し回路の開発

开发用于100万像素中子成像的超导线探测器阵列和单通量量子读出电路

• 发表时间: 2016
• 作者: 藤巻朗;神谷恭平;内藤亮介;上阪岬;田中雅光;赤池宏之
• 通讯作者: 赤池宏之

Impact of recent advancement in cryogenic circuit technology

低温电路技术最新进展的影响

• 发表时间: 2017
• 作者: Yasutaka Kuwahara;Yasuhiro Magatani;Hiromi Yamashita;A. Fujimaki and M. Tanaka
• 通讯作者: A. Fujimaki and M. Tanaka

Fabrication of superconductor-ferromagnet-insulator-superconductor Josephson junctions with critical current uniformity applicable to integrated circuits

• DOI: 10.7567/apex.10.033101
• 发表时间: 2017-03-01
• 期刊: APPLIED PHYSICS EXPRESS
• 影响因子: 2.3
• 作者: Ito, Hiroshi;Taniguchi, Soya;Fujimaki, Akira
• 通讯作者: Fujimaki, Akira

強磁性マトリクスメモリと断熱型量子磁束パラメトロンによる読み出し回路の設計と試作

使用铁磁矩阵存储器和绝热量子通量参数管的读出电路的设计和原型

• 发表时间: 2018
• 作者: 岩下颯斗;谷口壮耶;加藤悠輝;佐野京佑;田中雅光;藤巻朗
• 通讯作者: 藤巻朗