三维超导集成电路中的磁通成像

隐藏的磁性图案为何重要

随着计算机朝更高速度和更低功耗发展，工程师们正转向超导电路——这种芯片在几乎无电阻的情况下传输电信号。但这些精密电路可能被微小的磁场扰动，包括地球本身的磁场。本文探讨磁通如何实际贯穿一块真实的八层超导逻辑芯片，揭示出那些看不见的模式，这些模式要么保护电路，要么悄然削弱其性能。

分层的超导“城市”

研究对象是一种复杂的数字移位寄存器：由约瑟夫森结和超导导线构成的数千个重复逻辑单元，分布在八层超薄铌层上。这些活动层夹在宽大的超导“地平面”之间，有助于稳定信号，并被一张由细窄导线组成的网格所包围，充当磁屏蔽。整个芯片仅有几毫米宽，但却包含护城河、桥梁以及微小的金属填充方块，这些结构共同形成一个三维的磁场迷宫。

为看不见的场拍照

为了观察磁通如何进入这个迷宫，研究人员使用了磁光成像。他们将芯片冷却到超导转变温度以下，并在其上放置一层特殊的透明指示膜。当施加磁场时，指示膜的光学性质会按局部磁场变化，从而让相机记录芯片表面磁感应的详细图谱。通过把磁场升高或降低，或在恒定场中冷却器件，团队能够看到磁通从边缘缓慢渗入、沿优选路径奔流，并被布局中的特定构件俘获。

引导通道与磁性瓶颈

图像显示磁通并非均匀渗入。首先，它在芯片边缘的大接触焊盘周围积聚，然后穿过周围的导线网格，形成把磁通引向主地平面的对角通道。一旦到达这些地平面，磁通在长而狭的裂缝状开口（即为管理被俘涌流体而切割出的护城河）中被强烈集中。有些裂缝延伸至条带边缘，而有些则止于中途，这一细微差别产生了“快车道”，磁通沿相连裂缝迅速流动，在它们之间的狭窄桥接处形成串珠状簇。更深层的微小方形填充结构进一步调制场分布，划出涡旋偏好停留的区域，塑造出高低磁密度的复杂图案。

多层焊盘与被俘磁通景观

作为芯片与外界连接的接触焊盘具有自身的内部结构：某些层是连续的超导矩形，而另一些层则是并行条带阵列。随着外加场强增加，磁通先在这些焊盘周围回避，随后渗入条带投影之间的方形空腔，产生重复的棋盘式涡旋集中图样。当磁场减弱时，大部分磁通仍被俘获，尤其沿着条带网络和地平面的护城河中。即便在极小的背景场下冷却芯片，也会留下微弱但有组织的图案：磁通会被排斥出块状超导区域，并优先储存在设计好的裂缝与口袋中。

未来超导芯片的设计启示

总体而言，芯片的行为类似一片“超导瑞士奶酪”，固态区域的电流将磁通引导至精心布置的孔洞与通道中。该研究表明，周围的导线网格对中等强度磁场具有有效屏蔽作用，但也显示护城河和紧邻的裂缝会在局部放大磁场并触发不稳定性，即便在弱磁环境下也会产生次级涡旋。通过揭示磁通的实际流向以及其被困之处，这些磁像为改进地平面、裂缝、网格和填充结构的形状与布局提供了蓝图。这一认识对于构建下一代稳健、能效高的超导电子器件及量子技术组件至关重要。

引用: Ren, T., Glatz, A., Jankó, B. et al. Magnetic flux imaging in a 3D superconductor integrated circuit. Sci Rep 16, 12452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40711-3

关键词: 超导电路, 磁通成像, 约瑟夫森结逻辑, 磁通俘获, 超导电子学设计