JPH11507436A

JPH11507436A - 複合超電導量子干渉素子および回路

Info

Publication number: JPH11507436A
Application number: JP9501619A
Authority: JP
Inventors: ユゥ，ホン・ケィ
Original assignee: マイコンテック・インコーポレイテッド
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1999-06-29
Also published as: US5625290A; AU6156896A; EP0843826A1; EP0843826A4; WO1996039635A1

Abstract

(57)【要約】開示される複合ＳＱＵＩＤ回路は弱い磁界を検出するための高信号利得および高感度を達成する。それは超電導材料からなる同心ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）によって特徴付けられ、各ループは好ましくはジョセフソン接合（７６）の対を組入れ、このジョセフソン接合（７６）は、すべて、ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）を相互接続するコネクタ（７８、８０）により規定される直径に向かって概ね横断する直径において整列される。

Description

【発明の詳細な説明】複合超電導量子干渉素子および回路技術分野この発明は、一般に、磁束の測定のために用いられる、ＳＱＵＩＤとして知られている超電導量子干渉素子に関する。特に、それは、新規な、複合型の超電導量子干渉素子および回路に関する。背景技術超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）は、公知なもののうち最も高感度の磁界検出器である。それらはいくつかの量子現象、つまり、ジョセフソントンネル現象、フラックス量子化、および量子干渉を含む。ＳＱＵＩＤは、電圧、電流または磁界等のフラックスに変換され得る任意の物理量の微小な変化を測定するよう構成され得、換言すれば、それは極めて汎用性があり、さまざまな界の源のいかなるものによっても発生される磁界を測定することができる。このような素子は量子限界に近づくエネルギ分解能能力を有し得る。この結果、ＳＱＵＩＤは、医療診断から科学研究に至るまで、および非破壊評価から材料の磁気特性の通常の測定に至るまで、幅広いさまざまな適用例において用いられてきた。ＳＱＵＩＤは２種類ある。第１のＳＱＵＩＤであるｄｃＳＱＵＩＤは、通常は、超電導ループ上において並列接続される２つのジョセフソン接合からなる。第２のＳＱＵＩＤであるｒｆＳＱＵＩＤは、通常は、超電導ループ上に単一のジョセフソン接合を含む。両方のタイプにおいて、ジョセフソン接合は、超電導ループの２片または２つのセクション間における薄い絶縁バリアまたは層によって形成される。この絶縁バリアの厚みおよび断面は完全な回路ループの寸法よりも非常にはるかに小さいので、電子対はエネルギの伝達なしに接合の一方側から他方側へトンネルし得、換言すると、ジョセフソン接合の厚みが電子対のコヒーレンス長のオーダに達すると、超電導状態における長距離秩序の存在の顕著な証拠である超電導トンネル電流が生ずる。これは、印加される電圧がない状態で電流の流れを有することを可能にする。特に、ｄｃ２接合ループＳＱＵＩＤでは、干渉により発生された電流は磁界における変化とともに発振する。典型的には、ＳＱＵＩＤは、小さな入力フラックスに応答して周期的な態様で変動する出力電圧を生ずる。このような素子のこの極端な感度は、それ自体が非常に僅かな量である磁束の量子φ₀の僅か数分の１を分解し得るという事実に由来するものである。ｄｃおよびｒｆＳＱＵＩＤの両方ともが、幅広いさまざまな機器においてセンサとして用いられ、および用いられ得る。ＳＱＵＩＤのマルチチャネルアレイは物理−量子力学におけるファインマン講演者（The Feynman Lecturers on Physics-Quantum Mechanics ）、アディソン・ウェズリー出版社（Addison Wesley Publishing Co．）、１９６５、Ｃｈ．２１においてファインマン（Feynman ）により最初に提唱され、さまざまな研究グループがこれに追随した；ジェイ・イー・ジマーマン（J.E．Zimmerman）およびエイ・エイチ・シルバー（A.H．Silver ）、超電導点接触を介する微視的量子干渉効果（Macroscopic Quantum Interference Effects Through Superconducting P oint Contacts ）、フィジカル・レビュー（Physical Review ）、第１４１巻、第１号、１９６６年１月、およびダブリュー・エイチ・チャン（W.H．Chang）、干渉計による磁束測定（Interferometric Measurement of Magnetic Flux）、ＩＢＭ・テクニカル・ディスクロージャ・ブルティン（IBM Technical Disclosure Bulletin ）、第２５巻第６号、１９８２年１１月、第２９４０〜２９４１頁を参照されたい。一般に、ＳＱＵＩＤは磁界を直接感知するのに用いられ得る。しかしながら、これが実際の構成ではない多くの状況では、ＳＱＵＩＤはフラックス変換器によって界に磁気的に結合される。このフラックス変換器は、界を感知するための１次コイルと、ＳＱＵＩＤに磁気的に結合される２次コイルとを有する、閉じた超電導回路である。その動機付の理由は、単に、周囲雑音の検出を最小にする必要性からである。検出コイルは、与えられた界に対し、その源の距離に関係なく応答する。１次またはそれより高次の検出コイルでは、スクリーニングに関して要求がはるかに少ない。ＳＱＵＩＤにおいてこのようにして発生された信号は次いで通常の導電材料からなる電気リードを介して与えられて電子回路にさらなる処理のために接続される。いくつかの適用例の場合、外部回路をＳＱＵＩＤとともに単一の基板上に集積することは有利である。磁力計、傾度測定器、磁化率計または電圧計等においてある特定の機能を実行するようＳＱＵＩＤ自体を構成することが可能な場合もある。より詳細な原理については、クラーク（Clarke）による先の考察、ＳＱＵＩＤ：超電導装置における原理、雑音および適用例（SQUIDs : Principles，Noise，and Applications，in Superconducting Devices ）、スティーブン・ティ・ラジエロ（Steven T．Ruggiero）およびデービッド・エイ・ラドマン（David A．Rudman ）編、アカデミック・プレス・インク（Academic p ress，Inc.）、１９９０、第５１〜９９頁、およびクラーク、ＳＱＵＩＤ：新しい超電導エレクトロニクスにおける理論および実践（SQUIDs: Theory and Pract ice in the New Superconducting Electronics）、エイチ・ウエィンストック（ H．Weinstock）およびアール・ダブリュー・ラルストン（R.W．Ralston）編、クルーワー・アカデミック・パブリシャーズ（Kluwer Academic Publishers）、１９９３に見られる。１９８６年の終わりまでは、４０ケルヴィン（ｋ）度の温度より上での超電導性はＢＣＳ理論により不可能であると信じられていた。超電導性における臨界温度の突破は１９８６年１１月にベッドノーズ（Bednorz ）およびミュラー（Mull er）によってなされ；ジェイ・ジイ・ベンドノーズ（J.G．Bendnorz ）およびケイ・アレックス・ミュラー（K．Alex Muller）、Ｚ．Ｐｈｙｓ．、Ｂ６４、１８９、１９８６を参照されたい。今や、新しい超電導体の遷移温度は１００ケルヴィン度を優に越えて達しており；ハーゼン（Hasen ）ら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６０、１６５７、１９８８、およびパーキン（Parkin）ら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．６０、２５３９、１９９８を参照されたい。高Ｔｃ超電導体の発見以来、高Ｔｃ超電導性に対する基本メカニズムは、完全には異ならないとしても低Ｔｃ超電導のメカニズムとはいくぶん異なるということかも知れず、理解からは程遠かった。今日、我々は高Ｔｃ材料に対し非常に限られた理解しかなしてはいないが、ＳＱＵＩＤがこれらの材料に対して最も有望な適用例であることは一般に受入れられている。高Ｔｃ超電導体（ＨＴＳＣ）の臨界温度は現在液体窒素の沸騰点を超えているため、ＨＴＳＣＳＱＵＩＤは、液体ヘリウムと比較してはるかにより大きい熱容量を伴なうはるかに安価な起寒剤である液体窒素中で作動可能である。これは素子の作動コストを劇的に低減する。このような高ＴｃＳＱＵＩＤは、当然、適用に際し、より汎用性があり、より実施可能であり、経済的により実用的である。残念ながら、この適用例の実現は数多くの未解決の技術上の問題点により阻まれている。第１の問題点は、ジョセフソン接合を作製するための信頼性のある技術の欠如であり；これは従来の超電導エレクトロニクスの大半の必要不可欠な要素である。従来のジョセフソン接合はＨＴＳＣで作製することは非常に困難である。この問題の主な原因は、典型的には１ｎｍのオーダである酸化物超電導体の非常に小さなコヒーレンス長にある。したがって、十分な接合を作製するためには、原子スケールでＳ−Ｉ界面を有することが必要である。代替的弱リンク接合構造は、このような線形寸法に依存し、今日利用可能な最も洗練されたリソグラフィツールをもってしても作製することは非常に難しい。結晶粒界を伴って作製されるｄｃ−ＳＱＵＩＤは実質的な進歩をいくらか示してはいるが、そのような技術が複雑な回路を製造することにまで広げられ得るかは明らかではない。第２の問題点はＨＴＳＣＳＱＵＩＤにおける１／ｆ雑音レベルに関係し；それは低温ＳＱＵＩＤのそれと比較して非常に高い。この雑音は、理由はわからないが、明らかにジョセフソン素子に源を発するものであって、エピタキシャルＨＴＳＣ膜に発するものではない。第３の問題点は特性電圧が低いということであり、これは弱いトンネル電流によるものかも知れない。これは信号対雑音比をさらに下げる。信号対雑音比および感度において大きな改善がなければ、ＨＴＳＣＳＱＵＩＤは意味のある実際の適用例を有する、ということを想像するのは難しい。高Ｔｃ超電導体を伴った高性能ＳＱＵＩＤを達成するためには、信号利得およびＳ／Ｎ比の大きさを強化することが重要である。同じく重要なことは、発振のパターン、つまり曲線の傾きを改善することである。したがって、この発明の目的は、高電流利得、高信号対雑音比および高感度を達成するＳＱＵＩＤ設計、特にＨＴＳＣＳＱＵＩＤ設計を提供することである。この発明のこれらおよび他の目的は、以下の好ましい実施例の記載から、当業者には明らかとなるだろう。発明の概要この新規なＳＱＵＩＤ設計は２つの異なる機構に基づく。第１の機構は、ループにおいてジョセフソン接合の構造を変える。第２の機構はＳＱＵＩＤ回路の特に有利な構成を提供する。これら２つの機構は別々または組合せて用いられ得る。これらＳＱＵＩＤの作製は再生可能でありかつ信頼性があることが明らかとなるはずである。好ましくは、この発明のＳＱＵＩＤ素子は基板の表面上に形成される。それは、第１の幅の超電導材料のループと、互いに上に載りかつ絶縁材料の層によって分離される超電導材料からなるパッドによってループに形成されるジョセフソン接合とを含み、各パッドは、互いに実質的に同一でありかつ第１の幅よりも大きい第２の幅を有する。絶縁材料からなる層はパッドよりも実質的に大きくてもよく；実際、この絶縁材料からなる層は、所望されるならば、パッドの一方の対からループを横切ってパッドの他方の対まで延びてもよい。好ましくは、この発明のＳＱＵＩＤ素子は基板の表面上における複数の同心ループとして構成され、そのループは、互いから等しく間隔を取られ、かつ共通の直径上においてループの中心から遠ざかるように延びる径方向導体によって並列に接続され、この直径は、好ましくは、そのループの連続においてジョセフソン接合がそれに沿って位置決めされる第２の直径に直交する。このような配置は、高電流利得、高信号対雑音比および高感度をもたらす。図面の簡単な説明この発明は添付の図面と関連させてさらに記載される。図１は、先行技術の典型的なＤＣＳＱＵＩＤの概略図である。図２は、先行技術の典型的なＤＣＳＱＵＩＤの磁力計の概略図である。図３は、先行技術の典型的な電圧計ＳＱＵＩＤの概略図である。図４は、先行技術の典型的な傾度測定器ＳＱＵＩＤの概略図である。図５は、ＳＱＵＩＤの出力電圧特性の概略図である。図６は、この発明に従って構築される改良されたＳＱＵＩＤの概略図である。図７は、図６の線VII−VIIに沿った断面図である。図８は、この発明の改良されたＳＱＵＩＤの別の構造の概略図である。図９は、図８の線IX− IX に沿った断面図である。図１０は、この発明の改良されたＳＱＵＩＤ回路の概略図である。図１１は、基板上における、図１０に示されるＳＱＵＩＤ回路の概略図である。図１２は、この回路において用いられてもよいＳＱＵＩＤ素子の１つの構造を示す、図１１の線XII −XII に沿った断面図である。図１３は、ＳＱＵＩＤ素子の別の構造を示す、図１２と同様の断面図である。詳細な説明この発明は、高電流利得、高信号対雑音比および高感度を達成するＳＱＵＩＤ素子および設計、特にＨＴＳＣＳＱＵＩＤ設計を提供する。その重要性は、まずそれを図１に示されるｄｃＳＱＵＩＤ構造のような典型的なｄｃＳＱＵＩＤと比較することによってよく理解され得る。図示されるように、基板３の表面上において超電導材料からなるループ２は、典型的にはループの対向する側にあるジョセフソン接合４において絶たれ、各ジョセフソン接合は薄い絶縁バリアまたは層によって形成される。図示されるこのような構造は、たとえば、TaKagiらの「弱リンクジョセフソン接合を形成する方法（Method of Forming Weak-Link Josephson Junction）」と題される１９９１年１２月３１日に発行された米国特許第５，０７７，２６６号にある。コネクタ６はループの対向する側から延びて、ループ中を流れる電流が周知の態様で検出されることを可能にする。コネクタ６はイットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇）である。典型的には、このジョセフソン接合は超電導体のこれらの寸法に匹敵する寸法（幅および高さ）を有するが、その長さ（または厚み）は小さい。これは、接合の作製を複雑にし、ＨＴＳＣＳＱＵＩＤに関連する問題に著しく寄与しているようである。ＳＱＵＩＤ素子はさまざまな装置において用いられてきた。たとえば、図２に示されるように、ＳＱＵＩＤ素子を低温環境内に置き、そのＳＱＵＩＤに近接する内部入力コイル１６に導体１４で接続される外部ピックアップループ１２を用いて外部磁界をその環境に移行させることは公知である。こうして、ピックアップループ１２に出会った磁界は、発生される磁界へ、入力コイル１６によって移行され、それは次いでＳＱＵＩＤを達成し、それによって磁力計のセンサを構成することになる。図３に示されるように、ＳＱＵＩＤ素子は電圧計において用いられてもよい。一般に、このような構造は、電圧が印加されてもよい端子２２の対を設けており、これら端子は、互いに並列である抵抗器およびキャパシタを渡って、ＳＱＵＩＤに近接する入力コイル２４に接続され、それによって、それが発生する磁界をＳＱＵＩＤに与える。この磁界は、対応する信号をＳＱＵＩＤに生じさせる、端子２２にわたって印加される電圧に比例する。ＳＱＵＩＤ素子は図４に示されるように傾度測定器においても用いられ得、この構造におけるその素子は、図示されるように入力コイル３０にともに接続される第１のピックアップループ２６と第２のピックアップループ２８との間の磁界における差または傾きを感知する。こうして、２つのピックアップループに出会った磁界における差はＳＱＵＩＤによって感知される異なる磁界を発生させて、それに異なる信号を発生させる。ＳＱＵＩＤ素子は、定バイアス電流での暗黙の界に応答してフラックス信号に対する特性電圧を生じさせることが知られている。この電圧は、図５に示されるように、発振パターンが磁束の周期とともに変動する。図６および図７に示されるのはこの発明に従って構成されるＳＱＵＩＤの好ましい形態である。それは基板４３上において超電導材料からなるループ４２からなり、このループは、好ましくは対向する側において絶たれ、かつパッド４４を形成するよう拡大される。重なるパッド４４の間に設けられるのは、絶縁材料４５である。このように、この構造によって、ジョセフソン接合の特性はサイズが超電導ループのサイズに限定されず、超電導ループのサイズに関係なく好ましい特性の接合を達成するべく所望されるように調整され得る。コネクタ４６はループの両側から延びる。こうして、矢印４８で示されるような任意の方向におけるフラックスＢの印加、および特にそのフラックスにおける変化で、ループ４２を流れる超電導電流における変化が生じ、それが補正器４６によって感知されてもよい。図６に示される形態のＳＱＵＩＤを作製するために、図７に示されるように、超電導薄膜４２′を基板の表面上に堆積してパターニングして、２つの拡大された端子パッド４４を伴なう半分のＳＱＵＩＤ回路を得る。次いで、絶縁層４５が、その拡大された端子パッド上において、コヒーレンス長スケールと適合性がある範囲に入るよう制御された厚みで形成される；これは従来の技術で容易に達成され得る。次いで、超電導薄膜４２″が、このバリア層を被覆するように堆積され、拡大された端子パッドが膜４２′の端子パッドのちょうど上になる状態でＳＱＵＩＤ回路の他方の半分を得るようパターニングされる。ジョセフソン接合は、実質的に同じサイズでありかつ絶縁層４５によって結合される２つの拡大された端子パッド４４によって形成される。この外形は、標準的な、端部と端部とが接したジョセフソン接合のそれとは全く異なる。このＳＱＵＩＤにおけるトンネル電流は事実上ループにおける超電導電流に直交し、これは従来のＳＱＵＩＤにおけるそれとは全く異なるものである。このプレーナ型ジョセフソン接合は、適用および制御が比較的容易であるため、作製のプロセスにおいて重要な利点を与える。さらに、この能動バリア接合の断面積は先行技術構成のそれよりも明らかに数オーダ大きい。このことは、ＳＱＵＩＤにとっては、この発明のＳＱＵＩＤ構造が接合電流を大きく強化することを可能にするさらなる利点へと繋がる。図８に示されるのは、この発明の主要素を利用したＳＱＵＩＤの別の構造である。この構造においては、基板５３上の超電導ループ５２は、間に絶縁材料５６があるパッド５４を設けるよう拡大される。この構造においては、しかしながら、その材料は、パッド領域を被覆するのみならず、プレーナ素子の表面にわたるよう延びる。超電導回路の残りの部分５２″は、その超電導ループの他方の半分を得るよう、このパッドの上に適用される。コネクタ５８はループの対向する側から延びる。この構造を作製するため、図９に示されるように、好ましくは、超電導ループの第１の半分５２′が基板に与えられた後、次いで、拡大された端子パッドの上のみに形成される絶縁層の代わりに、２つの底部側の拡大された端子パッド５４ ′を覆う絶縁層５６が、基板の半分の上を延びるように形成され；その厚みはコヒーレンス長の範囲にある。次いで、超電導層５２″がその絶縁層５６上に堆積されパターニングされて、拡大された端子パッド５４″がパッド５４′のちょうど上に載る状態でＳＱＵＩＤの他方の半分のループを得る。基本的に、これにより、絶縁層によって結合される２つの別個の超電導膜層上の２つの半分のＳＱＵＩＤループが設けられる。絶縁層のサイズは、それが拡大された端子パッドを被覆する限り、重要ではない。この構造により、絶縁層を精密に適用または規定する必要性はなくなり、さらには、この発明のＳＱＵＩＤの作製が簡単なものとなる。これらのＳＱＵＩＤ構造は、磁力計、電圧計または傾度測定器のための、図２、３および４に示される回路等、さまざまな回路構成において有利に用いられ得る。先に記載したＳＱＵＩＤループはさまざまな態様のうちの任意の態様でカスケードまたは多重化されてもよい。一般に、そのようなカスケード化は、非常に弱い磁束に応答してそのカスケードされたループの組合された出力を増すよう意図されたものであり、なぜならば、先に述べたように、ＳＱＵＩＤ回路およびループは極めて弱い磁束を感知するのにしばしば用いられるからである。一般に、極めて弱い磁束線は、それのいくつかのさらに弱い反響によって取囲まれる非常に弱い磁束線として考えられてもよい。この磁束線がＳＱＵＩＤループまたは回路と相互作用すると、それはその回路のジョセフソン接合をわたる電流の流れをもたらす。この電流の流れは、その磁束線に最も近い接合に対して最大となり、その磁束線から間隔をおかれたジョセフソン接合に対して顕著に低減する。ＳＱＵＩＤループの、数多くのこれまでの回路アレイは、そのループを、近接または並ぷような関係で置く。したがって、磁束線がこのアレイに対して移動すると、それはそのアレイのさまざまな連続する接合において最大の電流の流れを生じさせる。多くのジョセフソン接合またはＳＱＵＩＤ回路はこの電流の流れを組合せ、磁束線の相互作用がアレイにわたると前のループの電流の流れにおける減少が今のループの電流の流れにおける増加を相殺するようにして、磁束線がアレイの少なくとも中心部を横断する際に実質的に一様な信号をもたらす。磁束線がアレイをわたって移動するにつれて磁束線の信号発生効果を不鮮明にしないようにするよりも、むしろ、磁束線がアレイの実質的に中央に置かれたときにその磁束線から生ずる回路の出力を最大にし、磁束線がこの中間点を超えて移動する際にこの信号の不鮮明化における結果を最小にするよう設計された態様で、アレイのＳＱＵＩＤ回路を構成または相互接続する方がしばしば望ましい。換言すれば、アレイに対する磁束線の場所を厳密に追尾し、さらには、その磁束線の強度を感度で示すＳＱＵＩＤ回路から出力される電流の流れを与えることがしばしば望ましい。この結果を達成するための好ましい回路が、図１０において、図１１の基板の表面に適用されるようにして示される。一般に、それは、便宜上６０、６２、６４、６６、６８および７０と符号付けられている複数のまたは多重の入れ子構成のＳＱＵＩＤ回路からなる。これらＳＱＵＩＤ回路は互いと入れ子構成（または同心）になっており、すべて仮想点７４に中心が置かれる。各ＳＱＵＩＤ回路は、その同心ＳＱＵＩＤ回路にわたる線または直径に沿って、ジョセフソン接合７６の組を含む。この同心ＳＱＵＩＤ回路はコネクタ７８および８０の組によって相互接続され、これらコネクタは好ましくは超電導性でありさらにはその同心ＳＱＵＩＤ回路をわたる共通の線上に載り、この線または直径はジョセフソン接合７６によって規定される線に対し実質的に直交する。したがって、磁束の線がこの回路をわたって移動する際、理想的な状態ではそれは直径に沿って通過し、中心点７４と交差してその同じ直径に沿って同心ＳＱＵＩＤ回路から出る。このジョセフソン接合によって発生された電流出力（または信号）は、一般に、その磁束線の強度およびそのジョセフソン接合に対するその接近度に直接関連する。最大出力は、磁束線が回路の中心点７４にあるときに達成される。この出力は、磁束線が中心に向かって移動すると上昇し、それが中心から遠ざかるにつれて減少する。対照的にこの分野における他のものによって提案または使用されているＳＱＵＩＤ回路の多くは、磁束線がアレイの中央にあるときに明瞭な出力ピークを生じさせることは著しくできず、磁束線がアレイをわたって移動するとその出力を不鮮明なものにする。好ましくは、このＳＱＵＩＤ回路は図１１に示されるように基板８６の表面８４に適用される。コネクタ７８および８０は各々コンタクトパッド８８において終端する。図１２に示されるように、このＳＱＵＩＤ回路のジョセフソン接合素子は、絶縁層９２を設けるよう超電導体９０を遮ることによって形成されてもよい。この絶縁層９２は、これまでの構造においてしばしばなされたように、超電導体９０の幅と実質的に等しい幅であってもよく、またはそれはこの詳細な説明において先に記載されたような理由から拡大されてもよい。一般に、この発明により好まれる同心ＳＱＵＩＤ回路は共通の中心を有する対称の同心ループを設け、それによって、信号出力に対する磁界の効果、特に不均一またはディスクリートな磁界の効果を強化する。ＳＱＵＩＤループ回路のこの同心多重性は、コネクタ７８および８０上に発生される信号をコヒーレントな位相に保持する際に大きな助けとなる。さらに、この構成は、ループおよび回路の有効領域を増加させながら各ループに対してインダクタンスを小さく保つ。それは、したがって、図１〜図４に示され図５において図表で示されるような構成によって与えられるものよりも、出力電圧に対してかなりより大きなパターン傾斜および振幅を与える。図１３はジョセフソン接合の別の構造を示すものであり、絶縁層９２′が超電導ループ９０′の端部に係合するのみならずその端部領域の上に載るものであり、それによって、特にこの構造が、そのジョセフソン接合の幅を最大にするものと結合される場合に、超電導体９０′においてそのジョセフソン接合の有効サイズを大きくする。それを超電導体９０′の幅よりも広くすることにより、磁界または磁束線の所与の強度に対して最大信号出力を達成し得る。この回路において用いられるジョセフソン接合は、「段差のある、端部同士が接するＳＮＳ接合を用いた、高温マイクロブリッジ超電導体装置（HIGH TEMPERA TURE MICROBRIDGE SUPERCONDUCTOR DEVICE UTILIZING STEPPED EDGE-TO-EDGE SN S JUNCTION）」に対するディローリオ（DiLorio ）らの１９９２年７月２８日付の米国特許第５，１３４，１１７号、「準プレーナ型ジョセフソン接合を有するＤＣＳＱＵＩＤ素子（DC SQUID ELEMENT WITH QUASI-PLANAR-TYPE JOSEPHSON JUNCTION）」に対するShinada の１９９３年７月１３日付の米国特許第５，２２７，６４５号、「薄膜の面にある磁束成分に応答するループを含む薄膜ＳＱＵＩＤ検出器（THIN FILM SQUID DETECTOR INCLUDING A LOOP RESPONSIVE TO A MAGN ETIC FLUX COMPONENT LYING IN THE PLANE OF THE THIN FILM ）」に対するマーズデン（Marsden ）の１９９３年４月１３日付の米国特許第５，２０２，６３０号、「薄膜…ＳＱＵＩＤ検出器（THIN FILM … SQUID DETECTORS）」に対するマーズデンの１９９２年８月２５日付の米国特許第５，１４２，２２９号、「弱リンクジョセフソン接合を形成する方法、およびその接合を用いる超電導装置（ME THOD OF FORMING WEAK-LINK JOSEPHSON JUNCTION，AND SUPERCONDUCTING DEVICE EMPLOYING THE JUNCTION ）」に対するTakagiらの１９９１年１２月３１日付の米国特許第５，０７７，２６６号、「超電導接合およびそれを作る方法（SUPERC ONDUCTING JUNCTIONS AND METHOD OF MAKING SAME ）」に対するカピツルニック（Kapitulnik）の１９９３年６月１５日付の米国特許第５，２１９，８２６号、「平坦化されたジョセフソン接合装置を作る方法（METHOD OF MAKING PLANARIZE D JOSEPHSON JUNCTION DEVICES）」に対するヤング（Young ）らの１９８３年１１月２９日付の米国特許第４，４１８，０９５号、「ジョセフソン接合を作る方法（METHOD OF MAKING A JOSEPHSON JUNCTION ）」に対するヘッド（Hed ）の１９９２年１２月１５日付の米国特許第５，１７１，７３２号、「超電導体電子装置（SUPERCONDUCTOR ELECTRON DEVICE）」に対するIshibasiらの１９８９年１２月１９日付の米国特許第４，８８８，６２２号、「高密度ジョセフソン接合メモリ回路（HIGH DENSITY JOSEPHSON JUNCTION MEMORY CIRCUIT）」に対するワン（ Wang）らの１９８５年４月２日付の米国特許第４，５０９，１４６号、または「ジョセフソン接合素子（JOSEPHSON JUNCTION ELEMENT）」に対するTarutaniらの１９８２年３月９日付米国特許第４，３１９，２５６号に示されるように、弱リンク、結晶粒界または段差端縁外形等、さまざまな構造または外形のうち任意のものを用いてもよい。まとめると、この発明の好ましいＳＱＵＩＤ回路は複数の同心超電導ループを含み、各超電導ループは、好ましくは、回路の相互接続する導体によって規定される直径に直交する、ループをわたる直径上において互いと整列される２つのジョセフソン接合からなる。この構成におけるジョセフソン接合素子は、薄いバリア構造、点接触構造、マイクロブリッジまたは３層構造であり得；実際には、この発明はすべての種類のジョセフソン接合素子に等しく適用可能である。適当な基板はサファイアおよびマグネシウム酸化物を含む。複数の同心の不均等サイズのループが設けられ好ましくは同じ超電導層上に形成される。もちろん、それらは、所望されるならば、異なる超電導層上に形成されてもよい。ＳＱＵＩＤ素子または回路の感度は、φをフラックスとし、Ｂを磁界強度とし、Ａを領域として、以下の等式から決定される： φ＝Ｂ・Ａしたがって、ＳＱＵＩＤの感度は、所与のフラックス変化（▲φ）に対し領域を増加することによって増大され；領域が大きいほど、検出され得るフラックス変化は小さくなる。用いられ得る最大領域はＳＱＵＩＤの自己インダクタンス（Ｌ）によって制限される。具体的には、 ▲Ｉ_c＝φ₀÷Ｌとなる。領域が大きいほど、信号変化は小さくなり；図５の変動は領域増加とともに平坦になる。したがって、ＳＱＵＩＤ素子および回路設計は広い領域を用いず、そうでない場合には、低Ｓ／Ｎ比および低減された感度を扱うよう試みなければならない。この設計は高感度素子および回路において広い領域（Ａ）が用いられることを効果的に可能にするものであり、なぜならば、それは、他の態様では大きな領域となるものを、別個のＳＱＵＩＤ素子に分割するからである。とりわけこの構成は、低温環境またはチャンバ内に含まれるＳＱＵＩＤ素子または回路に外部磁界を伝達または移行させるのに用いられる入力コイル１６または３０に対して素晴らしい適合性を達成する。その低減された、または最小のサイズのため、それは低温チャンバのサイズを可能な限り小さくする。他のＳＱＵＩＤ設計および回路は、それらが要する領域のため、実際には約６つのループに制限されるが、本設計はそのようには制限されない。これらの理由からも、本設計は結果として得られる素子および回路の特性を強化する。この素子および回路は液体窒素冷却剤内で動作するＹＢＣＯ等の高Ｔｃ超電導体のために設計されているが、それは低Ｔｃ超電導体を用いる際に使用することもできる。ループは、もちろん、図示される以外の任意のまたはさまざまな形状であり得、たとえば、同心正方形ではなく同心円であってもよい。同心ループの各々は好ましくは隣接のループから等間隔をおいて分離されるが、ある適用例では、隣接ループ間の間隔を変えるか、またはさらには、各ループとその内側で隣接するループとの包囲関係を維持しながらそれらの中心点を変えることが有利であるかもしれない。導電線７８および８０はループとして同じ層上にあり得、通常の導体（金など）または超電導性材料のいずれでも形成され得る。さらに、各ループは、別個の導電線を有してもよく、または異なる層上に作られ得る。このループ構成を用いれば、この装置に対する大幅に強化された信号利得および改善された応答特性の結果として、超高感度および測定精度を達成することができ、それを神経磁気学および地球物理磁気学適用例に対し特に好適なものにする。

Claims

【特許請求の範囲】１．互いと同心整列で配される、超電導材料からなる複数のループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）と、超電導材料からなる前記複数のループの各々における複数のジョセフソン接合（７６）とを含み、各ジョセフソン接合はそれのそれぞれのループのあるセグメントにおいて形成され、各ジョセフソン接合はそのループセグメントの方向へ実質的に横断するようにあり、前記複数のジョセフソン接合は、それらがすべて、複数の同心ループにわたって延びる実質的に真っ直ぐな線にあるように、互いに整列し、さらに、前記ループの超電導材料における電流の流れに比例する出力を生じさせるよう、複数の同心ループを電気的に接続する手段（７８、８０）を含む、ＳＱＵＩＤ素子。２．各ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）は前記ジョセフソン接合（７６）の対を含む、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。３．各ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）における前記複数のジョセフソン接合（７６）はループの対向するセグメント上にある、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。４．ジョセフソン接合は、超電導材料（９０′）のループの近接部分の断面積よりも実質的に大きい断面積を有する絶縁材料（９２′）から形成される、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。５．前記複数の同心ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）を電気的に接続する手段は、ジョセフソン接合（７６）により規定される線に実質的に直交する線において前記ループをわたるように延びるコネクタ（７８、８０）を含む、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。６．超電導材料からなる少なくとも２つの同心ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）が存在する、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。７．前記複数の同心ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）は互いから等しい間隔で分離される、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。８．前記複数の同心ループ（６０、６２、６４、６６、６８、７０）は形状が実質的に正方形でありかつ同じ点（７４）に中心がおかれる、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。９．前記複数の同心ループを電気的に接続する手段（７８、８０）はさらに超電導材料である、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。１０．前記複数のジョセフソン接合（７６）の各々は絶縁材料（９２′）のパッドによって分離される超電導材料（９０′）のパッドとして形成される、請求項１に記載のＳＱＵＩＤ素子。１１．各ジョセフソン接合（７６）を形成する絶縁材料（９２′）からなる前記パッドの幅は超電導材料（９０′）からなるパッドの幅よりも大きい、請求項１０に記載のＳＱＵＩＤ素子。１２．各ジョセフソン接合（７６）を形成する超電導材料（９０′）からなるパッドの幅は実質的に同じサイズである、請求項１０に記載のＳＱＵＩＤ素子。１３．各ジョセフソン接合（７６）を形成する絶縁材料（９２′）からなるパッドは超電導材料（９０′）からなるパッドの対間に挟まれる、請求項１０に記載のＳＱＵＩＤ素子。