科技进展

上海微系统所3D nano-SQUID超导存储器件研究取得原理性突破

  

  近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所陈垒研究员、王镇研究员提出了一种新型3D nano-SQUID超导存储器件,并发现利用其特有的偏离正弦函数的电流-位相关系,可以从原理上突破超导存储器的集成度瓶颈。研究结果以题为“Miniaturization of the Superconducting Memory Cell via a Three-Dimensional Nb Nano-Superconducting Quantum Interference Device”的学术论文发表在ACS Nano期刊上(ACS Nano 2020, 14, 11002)。 

  高速超导存储器是发展超导高性能计算技术的核心器件之一。长期以来,由于存储原理、集成度等原因,超导存储器经历了漫长而迟缓的发展进程。在当前众多低温超导存储方案中,通过磁通量子存储数据是唯一有可能实现皮秒量级的高速读写速度,但是由于超导电路在存储磁通量子时受到电感条件限制,导致存储单元物理尺寸(目前60×60 μm2)难以缩小与集成,无法达到实际应用需求。 

  上海微系统所王镇、陈垒研究团队在2016年发明了一种3D结构的nano-SQUID器件,实现了器件综合性能的大幅度提升(Nano Letters, 2016, 16, 7726)。在此基础上,团队通过深入研究3D nano-SQUID器件的物理和电学特性,发现了3D nano-SQUID的电流相位关系具有偏离约瑟夫森效应的正弦函数关系,为超导存储器件研究提供了一条新的研究思路。基于这条思路,研究团队设计、制备了一种新型3D nano-SQUID超导存储单元(8×9 μm2),并成功验证了存储单元的读写功能,实验验证了偏离正弦函数的电流-相位关系在锁存磁通量子时可以等效于电路电感,为进一步缩小存储单元面积提供了科学依据。 

  陈垒研究员在该工作中为第一作者和通讯作者,王镇研究员为通讯作者。该工作获得中科院先导专项,中科院前沿重点项目,中科院青促会,国家自然基金仪器研发等项目支持。 

  论文原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04405 

  3D nano-SQUID超导存储单元的设计原理图和器件照片