JP6047653B2 - ジョセフソン磁気メモリセルシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般的に量子および古典的デジタル超伝導回路に関し、特にジョセフソン磁気メモリセルシステムに関する。

超伝導デジタル技術は、従来にない高速度、低消費電力、および低動作温度の恩恵を受ける計算および／または通信資源をもたらした。数十年間、超伝導デジタル技術は、論理回路に対して適切な容量および速度を持つランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）が欠如していた。これは、電気通信およびシグナルインテリジェンスにおける超伝導技術の現在の適用の工業化にとって大きな障害であり、特にハイエンドコンピューティングにとっての妨げであった。超伝導メモリについて現在考慮されている概念は全て、超伝導誘導ループにおける磁束量子の量子化に基づくものであった。そのようなメモリは、適切な歩留りを持つ半導体製造工程を前提として、高速レジスタファイルに容易に適用することができるが、それらは根本的に誘導ループのサイズによって制限されるので、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）の集積密度を達成することは決してできない。

本発明の一態様はジョセフソン磁気メモリセルシステムを含む。システムは、読出し電流を伝導するように構成された少なくとも１つの超伝導電極を含む。システムはまた、少なくとも１つのヒステリシス磁気ジョセフソン接合（ＨＭＪＪ）をも含む。少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つは、二進値を格納し、かつ少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つを流れる読出し電流に関連付けられる超伝導対を一重項状態から三重項状態に変換するように、構成される。システムはさらに、少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つに磁気的に結合され、かつ少なくとも１つの書込み電流に応答して少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つに二進値を書き込むように構成された書込み回路と、少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つへの読出し電流の印加に応答して、少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つに格納された二進値を決定するように構成された読出し回路とを含む。

本発明の別の態様はジョセフソン磁気メモリセルシステムを含む。システムは、読出し電流を伝導するように構成された少なくとも１つの超伝導電極を含む。システムはまた、固定磁化を有する少なくとも１つの第１磁性材料層と、双安定配向に対応する自由磁化を有する少なくとも１つの第２磁性材料層とを備えたＨＭＪＪをも含む。少なくとも１つの第１磁性材料層および少なくとも１つの第２磁性材料層の少なくとも１つは、残りの磁性材料層に対し略直交する磁極性を有する。ＨＭＪＪは、少なくとも１つの第１磁性材料層および少なくとも１つの第２磁性材料層の少なくとも１つの磁極性に基づいて、二進値を格納するように構成される。システムはさらに、ＨＭＪＪに磁気的に結合されかつ少なくとも１つの書込み電流に応答してＨＭＪＪに二進値を書き込むように構成された書込み回路と、ＨＭＪＪへの読出し電流の印加に応答して、ＨＭＪＪに格納された二進値を決定するように構成された読出し回路とを含む。

本発明の別の態様は、行および列の配列として構成された複数のジョセフソン磁気メモリセルシステムを備えたジョセフソン磁気ランダムアクセスメモリ（ＪＭＲＡＭ）を含む。ジョセフソン磁気メモリセルシステムの各々は、固定磁化を有する少なくとも１つの第１磁性材料層と、双安定配向に対応する自由磁化を有する少なくとも１つの第２磁性材料層とを備えたＨＭＪＪを含む。少なくとも１つの第１磁性材料層および少なくとも１つの第２磁性材料層の少なくとも１つは、残りの磁性材料層に対し略直交する磁極性を有し、ＨＭＪＪを流れる読出し電流に関連付けられる超伝導対を、それぞれのＨＭＪＪで一重項状態から三重項状態に変換する。ＨＭＪＪの各々は、ワード書込み線にもたらされるワード書込み電流、および少なくとも１つの第２磁性材料層の少なくとも１つの磁極性を調整するようにビット書込み線にもたらされるビット書込み電流に応答して、それぞれの二進値を格納するように構成される。ＨＭＪＪの各々はさらに、ワード読出し線にもたらされるワード読出し電流およびビット読出し線にもたらされるビット読出し電流に応答して、それぞれの二進値を出力するように構成される。

本発明の態様に係るジョセフソン磁気メモリセルシステムの実施例を示す。 本発明の態様に係るヒステリシス磁気ジョセフソン接合（ＨＭＪＪ）の実施例を示す。 本発明の態様に係るＨＭＪＪの２つの状態の略図の一例を示す。 本発明の態様に係るＨＭＪＪの２つの状態の略図の別の例を示す。 本発明の態様に係るＨＭＪＪの別の実施例を示す。 本発明の態様に係るＨＭＪＪの２つの状態の略図のさらに別の例を示す。 本発明の態様に係るジョセフソン磁気ランダムアクセスメモリ（ＪＭＲＡＭ）システムの実施例を示す。

本発明は、一般的に量子および固定デジタル超伝導回路に関し、特にジョセフソン磁気メモリセルシステムに関する。ジョセフソン磁気メモリセルシステムは、少なくとも１つの固定磁性材料層と、双安定配向を有する少なくとも１つの自由磁性材料層とを含むヒステリシス磁気ジョセフソン接合（ＨＭＪＪ）を含むことができる。固定磁性材料層および自由磁性材料層の少なくとも１つは、残りの層の磁極性に対し略直交する磁極性を含むことができる。ジョセフソン磁気メモリセルシステムは、少なくとも１つの自由磁性材料層の磁極性の操作に基づいて二進値を格納するように実現することができる。ジョセフソン磁気メモリセルシステムはまた、ＨＭＪＪと並列に配置されたジョセフソン接合を含むこともできる。したがって、ジョセフソン接合およびＨＭＪＪは、読出し動作中などに読出し電流に応答して、ジョセフソン接合とＨＭＪＪとの間の磁束に基づいてＨＭＪＪに格納された二進値の標示を提供することのできる超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）として連設される。

磁性層の少なくとも１つの残りの磁性層に対する略直交磁極性の結果として、ＨＭＪＪを流れる読出し電流に関連付けられる超伝導クーパ対を読出し動作中に一重項状態から三重項状態に変換することができる。ＨＭＪＪの読出しのための三重項状態電流の実現の結果、ジョセフソン磁気メモリセルシステムにおける超伝導相関は読出し電流を大きくすることができ、かつＨＭＪＪに格納された論理状態間の差異を実質的に大きくすることができる。加えて、読出し電流に関連付けられる三重項状態超伝導クーパ対は、ＨＭＪＪの磁性層の厚さに対する感受性を実質的に低くすることができる。したがって、ジョセフソン磁気メモリセルシステムに関連付けられる磁性材料層の厚さの製造公差による小さい変動は、ジョセフソン磁気メモリセルシステムの動作に対して実質的に無関係にすることができる。

図１は、本発明の態様に係るジョセフソン磁気メモリセルシステム１０の実施例を示す。ジョセフソン磁気メモリセルシステム１０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のメモリアレイに含むことができるような、単一のメモリセルに対応することのできるメモリセル１２を含む。メモリセル１２は、ジョセフソン接合１４およびＨＭＪＪ１６が超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）として連設されるように並列に配置された、ジョセフソン接合１４およびヒステリシス磁気ジョセフソン接合（ＨＭＪＪ）１６を含む。ジョセフソン接合１４は、ＨＭＪＪとして構成することもでき、かつ定常状態であるか、あるいは本書に記載するように、ＨＭＪＪ１６と共に二進値の格納に関与するかのいずれかであることを理解されたい。

実施例として、ＨＭＪＪ１６は少なくとも１つの固定磁性材料層と、双安定配向を有する少なくとも１つの自由磁性材料層とを含むことができる。ＨＭＪＪ１６の固定磁性材料層および自由磁性材料層の少なくとも１つは、残りの層の磁極性に対し略直交する磁極性を含むことができる。本書で詳述する通り、略直交磁極性は、読出し動作中に、読出し電流Ｉ_ＲＤに関連付けられる超伝導クーパ対を一重項状態から三重項状態に変換するように構成することができる。その結果、ＨＭＪＪ１６に格納された論理状態を読出し動作中に良好に区別することができるようになり、ＨＭＪＪ１６は製造公差に対し実質的に鈍感になることができる。

例えば、ＨＭＪＪ１６は、自由磁性材料層の少なくとも１つの磁極性に基づいて、二進値（例えば論理１または論理０）を格納するように構成することができる。図１の実施例では、ジョセフソン磁気メモリセルシステム１０は、ＨＭＪＪ１６に磁気的に結合された書込み線に少なくとも１つの書込み電流Ｉ_ＷＲＴを発生するように構成された書込み回路１８を含む。書込み電流Ｉ_ＷＲＴは、データ書込み動作中の電流の流れのそれぞれの方向に基づいて、ＨＭＪＪ１６の二進値を二値論理１または二値論理０に設定するように磁界を発生させることができる。一実施例として、書込み回路１８は、ジョセフソン磁気メモリセルシステム１０を含むメモリセルのアレイ全体のための周辺書込み回路の一部とすることができる。

ＨＭＪＪ１６に格納された二進値は、読出し動作中に、読出し電流Ｉ_ＲＤに応答して、ジョセフソン磁気メモリセルシステム１０から読み出すことができる。一実施例として、読出し電流Ｉ_ＲＤは、アレイ中のメモリセルの列全体に印加されるビット読出し電流に対応することができ、あるいはジョセフソン磁気メモリセルシステム１０のために個別に発生させることができる。読出し電流Ｉ_ＲＤは、ジョセフソン接合１４およびＨＭＪＪ１６のそれぞれの臨界電流に対応する大きさでジョセフソン接合１４およびＨＭＪＪ１６に提供される。例えば、ジョセフソン接合１４は定常電流である臨界電流（Ｉ_Ｃ２）を有することができ、ＨＭＪＪ１６は、少なくとも１つの自由磁性材料層の磁極性の向きに基づいて、かつしたがって、そこに格納された二進値に基づいて変動する臨界電流（Ｉ_Ｃ１）を有することができる。例えばＨＭＪＪ１６は、論理０を二進値として格納するときには所与の大きさを有する臨界電流を持つように構成することができ、論理１を格納するときには略同一の大きさであるが向きが反対の臨界電流を有することができる。ＨＭＪＪ１６は、第１論理状態を二進値として格納するときには「０接合」として構成し、第２論理状態を二進値として格納するときには「パイ（ｐｉ）接合」として構成することができる。したがって、読出し電流Ｉ_ＲＤに応答して、ジョセフソン接合１４およびＨＭＪＪ１６は、二進値の第１状態を格納する場合にはＩ_Ｃ２＋Ｉ_Ｃ１に略等しく、かつ二進値の第２状態を格納する場合にはＩ_Ｃ２−Ｉ_Ｃ２に略等しいメモリセル１２の全臨界電流を結果的に生じることのできるそれらのそれぞれの臨界電流に基づいて、電圧パルスをトリガすることができる。格納された二進値の第１および第２論理状態間のＨＭＪＪ１６の応答の違いは、ジョセフソン接合１４とＨＭＪＪ１６との間の磁束の変化を引き起こすことができる。したがって、ジョセフソン接合１４とＨＭＪＪ１６との間の磁束は、ＨＭＪＪ１６に格納された二進値を示すことができる。

図１の実施例では、ジョセフソン磁気メモリセルシステム１０は読出し回路２０を含む。読出し回路２０は、読出し電流Ｉ_ＲＤに応答して、図１の実施例では格納された二進値に対応するＤＡＴＡ信号として示される、ＨＭＪＪ１６に格納された二進値を決定するように構成される。読出し回路２０は、検知電流量、電圧パルス、またはジョセフソン接合１４とＨＭＪＪ１６との間の磁束に基づくなど種々の方法のいずれかで、二進値を決定することができる。例えば読出し回路２０は、メモリセル１２に磁気的に結合されたインダクタ（図示せず）を流れる周辺電流を発生させて、周辺電流の大きさがジョセフソン接合１４とＨＭＪＪ１６との間の磁束に基づいて変化して、ＨＭＪＪ１６に格納された二進値を示すように構成することができる。こうして、図１の実施例では、読出し回路２０はメモリセル１２に導電結合されるように示されているが、読出し回路２０はそれに代わって様々な方法でメモリセル１２に結合することができることを理解されたい。

前述の通り、ＨＭＪＪ１６は少なくとも１つの固定磁性材料層と、双安定配向を有する少なくとも１つの自由磁性材料層とを含み、ＨＭＪＪ１６の固定磁性材料層および自由磁性材料層の少なくとも１つは、残りの層の磁極性に対し略直交する磁極性を含むことができる。ＨＭＪＪ１６の構成は、多種多様に形成することができる。

図２は本発明の態様に係るＨＭＪＪ５０の実施例を示す。ＨＭＪＪ５０は、図１の実施例のＨＭＪＪ１６に相応させることができる。したがって、図２の実施例についての以下の説明では、図１の実施例を参照する。ＨＭＪＪ５０は、図２の実施例で「Ｓ」として示される、第１超伝導電極層５２および第２超伝導電極５４を含む。例えば第１および第２超伝導電極層５２および５４は、様々な超伝導材料、例えばニオブ（Ｎｂ）から形成することができる。第１および第２超伝導電極層５２および５４は、読出し電流Ｉ_ＲＤが流れる関連ビット読出し線に直接結合することができるので、ビット読出し線も同様に超伝導材料から形成することができる。ＨＭＪＪ５０はまた、トンネル障壁層６０によって分離された、図２の実施例で「Ｆ」として示される第１磁性層５６および第２磁性層５８をも含む。第１および第２磁性層５６および５８は、相互に逆平行とすることのできる実質的に固定された磁極性を有するように、固定磁性層とすることができる。実施例として、第１および第２磁性層５６および５８は強磁性材料、例えばコバルト（Ｃｏ）もしくは鉄（Ｆｅ）から、または合成反強磁性（ＳＡＦ）材料から形成することができる。トンネル障壁６０は、ＨＭＪＪ５０を介する所望の大きさのジョセフソン臨界電流を提供するように構成される。

ＨＭＪＪ５０はさらに、第１超伝導電極層５２および第１磁性層５６を相互接続する第１分極層６２と、第２超伝導電極層５４および第２磁性層５８を相互接続する第２分極層６４とを含む。図２の実施例では、第１および第２分極層６２および６４はそれぞれ「Ｘ」および「Ｘ´」として示される。第１および第２分極層６２および６４は、強磁性材料または合金、例えばニッケル（Ｎｉ）、パーマロイ、パラジウムニッケル（ＰｄＮｉ）、銅ニッケル（ＣｕＮｉ）、コバルトプラチナ（ＣｏＰｔ）、または多種多様な他の材料のいずれかから形成することができる。第１および第２分極層６２および６４の少なくとも１つは、第１および第２磁性層５６および５８に関連付けられる磁極性に対し略直交する磁極性を有することができる。図２の実施例では、第１分極層（すなわちＸ）は固定磁性材料層であるが、第２分極層６４（すなわちＸ´）は自由磁性材料層とすることができるので、自由磁性材料層はその可変磁極性を可能にする双安定配向を有する。したがって、自由磁性材料層の磁極性は、少なくとも１つの書込み電流Ｉ_ＷＲＴのような直交電流によって局所的に発生する磁界の結果として設定することができる。そのような磁極性は、前述の通り、ＨＭＪＪ５０の臨界電流の大きさおよび符号のうちの少なくとも一方に影響を及ぼし得る。したがって、二進値は、第１および第２分極層６２および６４の一方の自由磁性材料の磁極性に基づいて、ＨＭＪＪ５０に格納することができる。

第１および第２分極層６２および６４の少なくとも１つの略直交磁極性の結果として、ＨＭＪＪ５０を流れるトンネル電流（例えば読出し電流Ｉ_ＲＤ）の超伝導クーパ対の角運動量は、超伝導クーパ対を一重項状態（スピンアップ／スピンダウン）から三重項状態（スピンアップ／スピンアップまたはスピンダウン／スピンダウン）に変換するように操作することができる。超伝導対の一重項状態から三重項状態への変換は、第１および第２磁性層５６および５８の磁極性に対し略直交する磁極性を有する第１および第２分極層６２および６４の両方に基づいて、最大効率で達成することができる。

超伝導対の一重項状態から三重項状態への変換の結果、ＨＭＪＪ５０は、典型的な超伝導ベースのメモリセル、例えば読出しのために一重項状態トンネル電流を実現するようなメモリセルに勝る多数の利点を呈する。例えば、ＨＭＪＪ５０を流れる三重項状態トンネル電流（例えば読出し電流Ｉ_ＲＤ）は、特に磁性層５６および５８の厚さが数ナノメートルより大きい場合、一重項状態トンネル電流より実質的に大きい電流量を有する。したがって、ＨＭＪＪ５０に格納された二進値の論理状態間の改善された読出しコントラストに基づいて、二進値の読出しを実質的に改善することができ、かつ磁性層５６、５８、６２、および６４の厚さを典型的な超伝導ベースのメモリセルより大きくすることができる。別の実施例として、三重項状態電流の大きさは、磁性層５６、５８、６２、および６４の厚さの小さな変動に対し実質的に不感とすることができる。したがって、ジョセフソン磁気メモリセルシステム１０の製造中の製造公差による磁性層５６、５８、６２、および６４の厚さの変動は、ＨＭＪＪ５０の読出しとは実質的に無関係とすることができる。別の実施例として、三重項状態のスピンアップ／スピンアップまたはスピンダウン／スピンダウン電子対配向は、三重項状態トンネル電流が多数／少数バンド効果に実質的に感応する結果をもたらすことができ、それはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を引き起こすことができるが、その効果は、同数のスピンアップおよびスピンダウン電子を含む一重項状態トンネル電流には欠如しており、かつ多数バンドおよび少数バンドの両方を略同時にサンプリングする。したがって、ＨＭＪＪ５０は、大幅に増大した書込みマージンを有する「トグルＭＲＡＭ」として構成することができる。

図３は、本発明の態様に係るＨＭＪＪ５０の２つの状態の略図１００の例を示す。略図１００は、ＨＭＪＪ５０に格納された二進値の第１論理状態に対応する第１状態１０２と、ＨＭＪＪ５０に格納された二進値の第２論理状態に対応する第２状態１０４とを含む。第１および第２状態１０２および１０４に関連付けられる特定の論理状態は、関連する読出しシステムに応じて任意とすることができることを理解されたい。略図１００は、デカルト座標系１０６に基づいて磁性層５６、５８、６２、および６４の磁極性を示す。

第１状態１０２では、第１磁性層５６は＋Ｘ方向の第１磁極性を有し、第２磁性層５８は−Ｘ方向の第２磁極性を有し、したがって、それは第１磁極性に対し略逆平行である。加えて、第１分極層６２および第２分極層６４は、＋Ｙ方向の磁極性を有し、したがってそれらは互いに平行しており、第１および第２磁極性に対し略直交する。第１および第２分極層６２および６４の磁極性は＋Ｙ方向に示されているが第１および第２分極層６２および６４の極性は代わりに、それらが第１および第２磁極性に対し略直交するように、両方とも−Ｙ方向、＋Ｚ方向、または−Ｚ方向とすることができることを理解されたい。前述の通り、第１分極層６２は固定磁性材料であるので、磁極は静止している。しかし、第２分極層６４は自由磁性材料層とすることができるので、第２分極層６４の磁極性は、少なくとも１つの書込み電流（例えば書込み電流Ｉ_ＷＲＴ）に基づいて、第１状態１０２の向きに設定することができる。

第２状態１０４では、第１および第２磁性層５６および５８ならびに第１分極層６２の磁極性は、第１および第２磁性層５６および５８ならびに第１分極層６２が固定磁性材料層として形成されることに基づいて、第１状態１０２のまま維持される。しかし、第２状態１０４では、第２分極層６４は−Ｙ方向の磁極性を有し、したがって、それは第１分極層６２の磁極性に対して逆平行であり、かつ第１および第２磁極性に対して略直交のままである。したがって、第２状態１０４では、第２分極層６４の磁極性は、ＨＭＪＪ５０の臨界電流の符号を変化させる少なくとも１つの書込み電流（例えば書込み電流Ｉ_ＷＲＴ）に基づいて、第１状態１０２とは逆向きに設定される。したがって、第２分極層６４の磁極性はＨＭＪＪ５０に格納される二進値を決定することができる。

図４は、本発明の態様に係るＨＭＪＪ５０の２つの状態の略図１５０の別の例を示す。略図１５０は、ＨＭＪＪ５０に格納された二進値の第１論理状態に対応する第１状態１５２と、ＨＭＪＪ５０に格納された二進値の第２論理状態に対応する第２状態１５４とを含む。図２の例における前述の説明と同様に、第１および第２状態１５２および１５４に関連付けられる特定の論理状態は、関連する読出しシステムに応じて任意とすることができることを理解されたい。略図１５０は、デカルト座標システム１５６に基づいて磁性層５６、５８、６２、および６４の磁極性を示す。

第１状態１５２では、第１磁性層５６は＋Ｘ方向の第１磁極性を有し、第２磁性層５８は−Ｘ方向の第２磁極性を有し、したがってそれは第１磁極性に対して略逆平行である。加えて、第１分極層６２は、第１および第２磁極性に対し略直交する＋Ｙ方向の磁極性を有し、第２分極層６４は、第１磁極性と略平行の＋Ｘ方向の磁極性を有する。前述の通り、第１分極層６２は固定磁性材料であるので、磁極は静止している。しかし、第２分極層６４は自由磁性材料層とすることができるので、第２分極層６４の磁極性は、少なくとも１つの書込み電流（例えば書込み電流Ｉ_ＷＲＴ）に基づいて、第１状態１５２の向きに設定することができる。

第２状態１５４では、第１および第２磁性層５６および５８ならびに第１分極層６２の磁極性は、第１および第２磁性層５６および５８ならびに第１分極層６２が固定磁性材料像として形成されることに基づいて、同一のままである。しかし、第２状態１５４では、第２分極層６４は−Ｙ方向の磁極性を有し、それは、したがって第１分極層６２の磁極性と逆平行であり、かつ第１および第２磁極性に対し略直交する。したがって、第２状態１５４では、第２分極層６４の磁極性は、少なくとも１つの書込み電流（例えば書込み電流Ｉ_ＷＲＴ）に基づいて、第１状態１５２に対して略９０°回転する。

例えば第２分極層６４は、磁極性を容易軸上で第１および第２状態１５２および１５４に対して直交方向に設定することができるように、二軸異方性を有する磁性材料から形成することができる。例えば第１および第２状態１５２および１５４の第２分極層６４の磁極性は、第２分極層６４の磁極性ベクトルを調整するように、２つの書込み電流Ｉ_ＷＲＴの相対的大きさに基づいて設定することができる。前述の通り、超伝導対の一重項状態から三重項状態への変換は、第１および第２磁性層５６および５８の磁極性に対する略直交磁極性を有する第１および第２分極層６２および６４の両方に基づいて、最大効率で達成することができる。したがって、第１状態１５２では、ＨＭＪＪ５０は、超伝導対の三重項状態への変換の実質的低下を呈することができる。その結果、図４の実施例におけるＨＭＪＪ５０は、磁性層５６および５８の厚さが、大部分の一重項状態のトンネル電流が第１状態１５２でＨＭＪＪ５０を流れるのを実質的に防止するのに充分な厚さとなるように作製することができる。第２状態１５４では、第１および第２分極層６２および６４が両方とも第１および第２磁極性に対し略直交し、したがって超伝導対の三重項状態への最大限の変換が行われる状態で、大部分の三重項状態のトンネル電流はＨＭＪＪ５０を流れる。したがって、図４の実施例でＨＭＪＪ５０に格納された二進値は、トンネル電流（すなわち読出し電流Ｉ_ＲＤ）がＨＭＪＪ５０を流れるか否かに基づいて、ＨＭＪＪ５０から読み出すことができる。

ＨＭＪＪ５０は図２〜図４の実施例に限定されることを意図するものではないことを理解されたい。例えばＨＭＪＪ５０の層は、図２の実施例に示した特定の順序および向きに形成する必要はない。例えば磁性層５６、５８、６２、および６４に対するトンネル障壁６０の位置は、実質的に相互置換可能である。さらに、磁性層５６、５８、６２、および６４ならびに超伝導電極層５２および５４は、略均等な厚さを有するように示されているが、層の厚さは相互に異なることができる。加えて、磁性層５６、５８、６２、および６４は異なる磁性材料で形成されてよい。また、磁極性の向きは図２〜図４の実施例に提示する特定の向きに限定されず、代わりに、前述の通り、相応する逆平行または直交する磁極性を有することができる。さらなる実施例として、図２〜図４の磁性層５６および５８は、トンネル障壁６０が単一の磁性層の真上または真下に配置されるように、単一の固定磁極性を有する単一の磁性層に置換されてよい。例えば図２では、磁性層５６および５８は、その磁極性が略＋Ｙ方向に固定された、垂直磁気異方性を有する単一の磁性層に置換することができる一方、それぞれの固定および自由分極層６２および６４の磁極性はＸ軸またはＺ軸の方向を向くことができる。さらに、図５の実施例で説明する通り、ＨＭＪＪは追加の磁性層を含むことができる。

図５は、本発明の態様に係るＨＭＪＪ２００の実施例を示す。ＨＭＪＪ２００は同様に、図１の実施例のＨＭＪＪ１６に対応させることができる。したがって、図５の実施例についての以下の説明では、図１の実施例を参照する。ＨＭＪＪ２００は、図５の実施例では「Ｓ」として示される、第１超伝導電極層２０２および第２超伝導電極２０４を含む。ＨＭＪＪ２００はまた、図５の実施例では「Ｆ」として示される第１磁性層２０６および第２磁性層２０８をも含む。第１および第２磁性層２０６および２０８は、相互に逆平行とすることのできる実質的固定磁極性を有するように、固定磁化を有するＳＡＦ層として構成することができる。ＨＭＪＪ２００はまた、ＳＡＦ層と同様にそれらの磁化が相互に略逆平行となるように、図５の実施例では「Ｆ」として示される第３磁性層２１０および第４磁性層２１２をも含む。実施例として、磁性層２０６および２０８ならびに層２１０および２１２はＳＡＦ構成で示されているが、磁性層２０６および２０８の対ならびに磁性層２１０および２１２の対の少なくとも１つは代替的に、単一の強磁性層に置換することができることを理解されたい。第１磁性層２０６および第４磁性層２１２はトンネル障壁２１４によって分離される。

第３および第４磁性層２１０および２１２は、自由ＳＡＦとして構成されて、第３および第４磁性層２１０および２１２の磁化が、可変磁極性を可能にするような、双安定配向を有する軸に沿って相互に逆平行となるようにする。したがって、第３および第４磁性材料層２１０および２１２の磁極性は、少なくとも１つの書込み電流Ｉ_ＷＲＴのような直交電流によって局所的に発生する磁界の結果として設定することができる。そのような磁極性は、前述の通り、ＨＭＪＪ２００の臨界電流の大きさに影響を及ぼし得る。したがって二進値は、第３および第４磁性材料層２１０および２１２の磁極性に基づいて、ＨＭＪＪ２００に格納することができる。

ＨＭＪＪ２００はさらに、第１超伝導電極層２０２および第３磁性層２１０を相互接続する第１分極層２１６と、第２超伝導電極層２０４および第２磁性層２０８を相互接続する第２分極層２１８とを含む。図５の実施例では、第１および第２分極層２１６および２１８は「Ｘ」として示される。第１および第２分極層２１６および２１８は、図２の実施例で前述したのと同様に、磁化が素子の面内にあるか、または素子と直交する、強磁性材料または合金から形成することができる。別の実施例として、第１および第２分極層２１６および２１８は、ホルミウム（Ｈｏ）のような円錐磁化を有する磁性材料から形成することができ、あるいは表面ピン止め磁壁として構成することができる。第１および第２分極層２１６および２１８は、磁性層２０６、２０８、２１０、および２１２に関連付けられる磁極性に対し略直交する磁極性を有するか、または別の方法で第１および第２分極層２１６および２１８全体にわたって不均質な向きを有する磁化をもたらすことができる。したがって、第１および第２分極層２１６および２１８は、トンネル電流（すなわち読出し電流Ｉ_ＲＤ）に関連付けられる超伝導クーパ対を一重項状態から三重項状態に変換するように構成することができる。図５の実施例では、第１および第２分極層は固定磁性材料層である。

上述の通り、三重項状態にある超伝導クーパ対は基本的にスピン分極することができる。その結果、トンネル障壁２１４を挟んだ三重項トンネリング行列要素は、第１および第４磁性層２０６および２１２の相対的位置合わせに感応することができる。これは、ＭＲＡＭ素子で使用されるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果に類似することができる。しかし、ＨＭＪＪ２００の場合、磁性層２０６および２１２の相対的位置合わせによって影響されるのは、ジョセフソン接合の抵抗ではなく、ジョセフソン臨界電流の大きさである。この効果は一重項状態超伝導クーパ対のトンネリングには欠如しており、ＨＭＪＪ２００では分極層２１６および２１８の組込みによって可能になる。

図６は、本発明の態様に係るＨＭＪＪ２００の２つの状態の略図２５０の例を示す。略図２５０は、ＨＭＪＪ２００に格納された二進値の第１論理状態に対応する第１状態２５２、およびＨＭＪＪ２００に格納された二進値の第２論理状態に対応する第２状態２５４を含む。第１および第２状態２５２および２５４に関連付けられる特定の論理状態は、関連する読出しシステムに応じて任意とすることができることを理解されたい。略図２５０は、デカルト座標系２５６に基づいて磁性層２０６、２０８、２１０、２１２、２１６、および２１８の磁極性を示す。

第１状態２５２では、第１磁性層２０６は＋Ｘ方向の第１磁極性を有し、第２磁性層２０８は−Ｘ方向の第２磁極性を有し、したがって第２磁極性は第１磁極性に対し略逆平行である。加えて、第３磁性層２１０は第１磁極性を有し、第４磁性層２１２は同様に第２磁極性を有し、こうしてトンネル障壁２１４の両側で第４磁性層２１２および第１磁性層２０６の略逆平行な位置合わせが形成される。さらに、第１分極層２１６および第２分極層２１８は＋Ｙ方向の磁極性を有し、したがって、それらは相互に平行であり、かつ第１および第２磁極性に対して略直交する。第１および第２分極層２１６および２１８の磁極性は＋Ｙ方向に示されているが、第１および第２分極層２１６および２１８の極性は代わりに、それらが第１および第２磁極性に略直交するように、両方とも−Ｙ方向、＋Ｚ方向、または−Ｚ方向とすることができることを理解されたい。加えて、前述の通り、分極層２１６および２１８は円錐磁化を有するか、または別の方法で不均質な磁化に影響を及ぼすことができ、それは結果的にトンネル電流のかなりの部分を三重項状態に変換させる。

第２状態２５４では、第１および第２磁性層２０６および２０８ならびに第１および第２分極層２１６および２１８の磁極性は、第１および第２磁性層２０６および２０８ならびに第１および第２分極層２１６および２１８が固定磁性材料層として形成されていることに基づいて、同一のままである。しかし、第２状態２５４では、第３および第４磁性層２１０および２１２はそれぞれ、−Ｘ方向および＋Ｘ方向の磁極性を有し、したがってトンネル障壁２１４の両側に第４磁性層２１２および第１磁性層２０６の略平行な位置合わせが形成される。したがって、第２状態２５４では、第３および第４磁性層２１０および２１２の磁極性は、読出し電流Ｉ_ＲＤのスピン分極三重項状態電子が経験するＴＭＲ効果に基づいてＨＭＪＪ２００の臨界電流を変化させるように、少なくとも１つの書込み電流（例えば書込み電流Ｉ_ＷＲＴ）に基づいて第１状態２５２とは逆向きに設定される。したがって、第３および第４磁性層２１０および２１２の磁極性は、ＨＭＪＪ２００に格納される二進値を決定することができる。

図７は、本発明の態様に係るジョセフソン磁気ランダムアクセスメモリ（ＪＭＲＡＭ）システム３００の実施例を示す。ＪＭＲＡＭシステム３００は、様々な量子計算および旧知の計算のうちの少なくとも一方の用途でメモリ構造として実現することができる。一例として、ＪＭＲＡＭシステム３００は、量子計算環境で古典的データおよびコントローラ命令のうちの少なくとも一方を格納するように、約４ケルビン以下で動作するような量子計算回路内で極低温に構成することができる。

ＪＭＲＡＭシステム３００は、図７の実施例では、メモリセル３０２のアレイとして配列されるように示される。特にメモリセル３０２は、各々がワード０ないしワードＹとして示されるデータワードに対応する行３０４に配列され、ここでＹは１より大きい整数である。行３０４の各々は、行３０４を横切ってＸ列３０６を形成する１組のメモリセル３０２を含み、ワードＤ０のメモリセル３０２は図７の実施例ではＣ_０ないしＣ_Ｘとして示され、ここでＸは１より大きい整数である。したがって、ＪＭＲＡＭシステム３００のアレイにおけるメモリセル３０２の各々は、行３０４および列３０６によって個別にアドレス指定可能にすることができる。

図７の実施例では、行３０４の各々は、それぞれＷＬＷ_０およびＷＬＲ_０ないしＷＬＷ_ＹおよびＷＬＲ_Ｙとして示される、関連付けられたワード書込み線３０８およびワード読出し線３１０を有するように示されている。ワード書込み線３０８およびワード読出し線３１０は、ＪＭＲＡＭシステム３００の行３０４の各々におけるメモリセル３０２の各々に誘導結合および磁気結合のうちの少なくとも一方を行うことができる。加えて、メモリセル３０２の各々は、それぞれＢＬＷ_０およびＢＬＲ_０ないしＢＬＷ_ＹおよびＢＬＲ_Ｙとして示される、関連付けられたビット書込み線３１２およびビット読出し線３１４を有するように示されている。ビット書込み線３１２およびビット読出し線３１４は、各列３０６のメモリセル３０２がビット書込み線３１２およびビット読出し線３１４に対して直列に配列されるように、ＪＭＲＡＭシステム３００の行３０４の各々における各々の対応する番号付きのメモリセル３０２に結合することができる。

メモリセル３０２の各々は、単一ビットのデータを格納するように構成される。特に、メモリセル３０２の各々は、図１の実施例におけるメモリセル１２と略同様に構成することができる。特に、メモリセル３０２の各々は、二値論理１または二値論理０に対応する二進値を格納するように構成する、それぞれ図２および図５の実施例におけるＨＭＪＪ５０または２００と同様のＨＭＪＪを含むことができる。二進値は、少なくとも１つの自由磁性材料層の磁極性を変化させるように、それぞれのワード書込み線３０８にもたらされるワード書込み電流、およびそれぞれのビット書込み線３１２にもたらされるビット書込み電流に応答して設定することができる。同様に、メモリセル３０２の各々に格納されたそれぞれのデジタル状態は、行３０４の所与の１つを選択するためにそれぞれのワード読出し線３１０にもたらされるワード読出し電流、およびそれぞれのビット読出し線３１４にもたらされるビット読出し電流に基づいて、メモリセル３０２から読み出すことができる。特に、列３０６の各々のビット読出し線３１４は、読出し動作中にワード読出し電流およびビット読出し電流に応答して、関連付けられる行３０４のメモリセル３０２の各々の二進値が二値論理１状態または二値論理０状態に対応するかどうかを決定するように構成されたセンスレジスタ３１６に結合される。実施例として、センスレジスタ３１６は、図１の実施例で説明したように、ビット読出し線３１４に関連付けられる電圧もしくは電流、またはそれぞれのメモリセル３０２の各々における磁束を測定することができる。

上述したことは本発明の実施例である。本発明を説明するために構成要素または方法論の考えられる全ての組合せを記載することは、言うまでもなく不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組合せおよび再配置が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含め、本願の範囲内に該当する全てのそのような変更例、変形例、および変化例を包含することを意図している。

Claims (14)

1. ジョセフソン磁気メモリセルシステムであって、
   少なくとも１つのヒステリシス磁気ジョセフソン接合（ＨＭＪＪ）であって、前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つが二進値を格納し、かつ前記少なくとも１つのＨＭＪＪを流れる読出し電流に関連付けられる超伝導対を一重項状態から三重項状態に変換するように構成されたＨＭＪＪと、
   前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つに磁気結合され、かつ少なくとも１つの書込み電流に応答して、前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つに二進値を書き込むように構成された書込み回路と、
   前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つへの読出し電流の印加に応答して、前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つに格納された二進値を決定するように構成された読出し回路と
   を備えるジョセフソン磁気メモリセルシステム。
2. 前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つと並列に配置され、読出し電流の少なくとも一部分を伝導するように構成された第２ジョセフソン接合を備え、読出し電流に応答した前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つと前記第２ジョセフソン接合との間の磁束が、前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つに格納された二進値を示す、請求項１に記載のシステム。
3. 前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つは、固定磁化を有する少なくとも１つの第１磁性材料層と、双安定配向に対応する自由磁化を有する少なくとも１つの第２磁性材料層とを含み、前記少なくとも１つの第１磁性材料層および前記少なくとも１つの第２磁性材料層の少なくとも１つは、残りの磁性材料層に対して略直交する磁極性を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの第２磁性材料層の各々は、少なくとも１つの超伝導電極の各々および前記少なくとも１つの第１磁性材料層の各々を相互接続する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つは、
   第１磁極性を有する第１固定磁性材料層と、
   前記第１磁極性とは逆平行の第２磁極性を有する第２固定磁性材料層と、
   前記第１および第２磁極性に対して略直交する第３磁極性を有する第３固定磁性材料層と、
   前記少なくとも１つの書込み電流に応答する可変磁極性であって、前記格納された二進値に対応する可変磁極性を有する自由磁性材料層と
   を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記可変磁極性は、前記二進値を第１論理状態に設定する前記少なくとも１つの書込み電流に応答して前記第３磁極性に設定され、かつ前記二進値を第２論理状態に設定する前記少なくとも１つの書込み電流に応答して、前記第３磁極性と略逆平行な第４磁極性に設定される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記可変磁極性は、前記二進値を第１論理状態に設定する前記少なくとも１つの書込み電流に応答して前記第１磁極性に設定され、かつ前記二進値を第２論理状態に設定する少なくとも１つの書込み電流に応答して、前記第３磁極性と略逆平行な第４磁極性に設定される、請求項５に記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つは、
   第１磁極性を有する第１固定磁性材料層と、
   前記第１磁極性と逆平行な第２磁極性を有する第２固定磁性材料層と、
   前記第１および第２磁極性に対し略直交する第３磁極性を有する少なくとも１つの第３固定磁性材料層と、
   前記少なくとも１つの書込み電流に応答して、前記二進値の第１論理状態における第１磁極性と前記二進値の第２論理状態における第２磁極性との間で変動する可変磁極性を有する第１自由磁性材料層と、
   前記少なくとも１つの書込み電流に応答して、前記二進値の第２論理状態における第１磁極性と前記二進値の第１論理状態における第２磁極性との間で変動する可変磁極性を有する第２自由磁性材料層と、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのＨＭＪＪの少なくとも１つを流れる読出し電流に関連付けられる前記超伝導対を、少なくとも１つの書込み電流に応答して双安定配向を有する少なくとも１つの自由磁性材料層の磁極性に基づいて、前記二進値の第１論理状態における一重項状態と前記二進値の第２論理状態における三重項状態との間で変換するように構成される、請求項１に記載のシステム。
10. 行および列の配列に構成された複数の請求項１に記載のジョセフソン磁気メモリセルシステムを備えたジョセフソン磁気ランダムアクセスメモリ（ＪＭＲＡＭ）であって、前記ジョセフソン磁気メモリセルシステムの各々は、ワード書込み線にもたらされるワード書込み電流およびビット書込み線にもたらされるビット書込み電流に応答してそれぞれの二進値を格納するように構成され、さらに、ワード読出し線にもたらされるワード読出し電流およびビット読出し線にもたらされるビット読出し電流に応答してそれぞれの二進値を出
    力するように構成されている、ジョセフソン磁気ランダムアクセスメモリ（ＪＭＲＡＭ）。
11. ジョセフソン磁気メモリセルシステムであって、
    固定磁化を有する少なくとも１つの第１磁性材料層および双安定配向に対応する自由磁化を有する少なくとも１つの第２磁性材料層を含むヒステリシス磁気ジョセフソン接合（ＨＭＪＪ）であって、前記少なくとも１つの第１磁性材料層および前記少なくとも１つの第２磁性材料層の少なくとも１つは残りの磁性材料層に対し略直交する磁極性を有し、前記ＨＭＪＪは前記少なくとも１つの第１磁性材料層および前記少なくとも１つの第２磁性材料層の少なくとも１つの前記磁極性に基づいて二進値を格納するように構成され、かつ前記少なくとも１つの第２磁性材料に関連付けられる略直交磁極性に基づいて、前記ＨＭＪＪを流れる読出し電流に関連付けられる超伝導対を二進値の第１論理状態における一重項状態と二進値の第２論理状態における三重項状態との間で変換するように構成された前記ＨＭＪＪと、
    前記ＨＭＪＪに磁気結合され、少なくとも１つの書込み電流に応答して前記ＨＭＪＪに二進値を書き込むように構成された書込み回路と、
    前記ＨＭＪＪへの読出し電流の印加に応答して前記ＨＭＪＪに格納された二進値を決定するように構成された読出し回路と、
    を備えるジョセフソン磁気メモリセルシステム。
12. 前記ＨＭＪＪと並列に配置され、読出し電流の少なくとも一部分を伝導するように構成された第２ジョセフソン接合を備え、読出し電流に応答した前記ＨＭＪＪと前記第２ジョセフソン接合との間の磁束が、前記ＨＭＪＪに格納された二進値を示す、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ＨＭＪＪは、
    第１磁極性を有する第１固定磁性材料層と、
    前記第１磁極性とは逆平行である第２磁極性を有する第２固定磁性材料層と、
    前記第１および第２磁極性に対し略直交する第３磁極性を有する第３固定磁性材料層と、
    少なくとも１つの書込み電流に応答する可変磁極性であってかつ格納された二進値に対応する可変磁極性を有する自由磁性材料層と、
    を含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記ＨＭＪＪは、
    第１磁極性を有する第１固定磁性材料層と、
    前記第１磁極性とは逆平行である第２磁極性を有する第２固定磁性材料層と、
    前記第１および第２磁極性に対し略直交する第３磁極性を有する少なくとも１つの第３固定磁性材料層と、
    少なくとも１つの書込み電流に応答して二進値の第１論理状態における第１磁極性と二進値の第２論理状態における第２磁極性との間で変化する可変磁極性を有する第１自由磁性材料層と、
    少なくとも１つの書込み電流に応答して二進値の第２論理状態における第１磁極性と二進値の第１論理状態における第２磁極性との間で変化する可変磁極性を有する第２自由磁性材料層と、
    を含む、請求項１１に記載のシステム。