DE19534283C2 - Hochfrequenz-SQUID mit resonanter Flußfokussierungsstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-SQUID (HF- SQUID) mit einer wenigstens einen Josephson-Kontakt enthaltenden SQUID-Schleife und einer Flußfokussie­ rungsstruktur aus supraleitendem Material.

HF-SQUID sind hochempfindliche Sensoren für die Messung von magnetischem Fluß. Derartige Sensoren in Dünn­ schichttechnik sind aus der EP 04 18 848 A2 bekannt. Sie bestehen aus einem supraleitenden Ring mit einem inkor­ porierten Josephson-Kontakt und einem an diesen Ring gekoppelten HF-Resonator (Tankschwingkreis), der mit einem Hochfrequenzstrom geeigneter Amplitude und einer Frequenz typischerweise < 1 GHz gespeist wird. Der su­ praleitende Ring bedämpft den Resonator in Abhängigkeit vom magnetischen Fluß im Ring, wodurch sich der Span­ nungsabfall am Resonator und dessen Resonanzfrequenz ändern. Das dabei entstehende Amplituden- oder Phasensi­ gnal wird zum Auslesen des Sensors verwendet.

Es ist bekannt, daß das Eigenrauschen und damit der mi­ nimal auflösbare magnetische Fluß in der SQUID-Schleife invers proportional zur Betriebsfrequenz des SQUID sind. Weiterhin ist bekannt, daß die magnetflußabhängi­ ge Spannungsmodulation am HF-Resonator umso größer wird, je geringer die Kopplungskonstante k zwischen su­ praleitendem Ring und Resonator ist und umso größer die Güte Q des Resonators ist, wobei die Bedingung k²Q < 1 erfüllt sein muß.

Für den rauscharmen Betrieb des Sensors ist es außerdem notwendig, die Induktivität des supraleitenden Ringes auf Werte kleiner als ca. 300 pH zu begrenzen. Die da­ mit verbundene kleine Fläche des Ringes erschwert die Einkopplung von zu messendem magnetischem Fluß in den Ring.

Zur Verbesserung der Flußfokussierung können zusätzli­ che supraleitende Flächen in der Nähe des supraleiten­ den Ringes plaziert werden (Y. Zhang et al., Super­ cond. Sci. Technol., Bd. 7, 1994, (S. 269-272). Bei herkömmli­ chen HF-SQUID mit Resonatoren in der Form von Streifen­ leitern ist die Größe der Flußfokussierungsflächen je­ doch durch die Ausdehnung des Resonators begrenzt; au­ ßerdem wird die Hochfrequenzstromverteilung im Resona­ tor durch die zusätzlichen Flächen in der Nähe des su­ praleitenden Ringes ungünstig beeinflußt. Aufgrund der geringen Flußfokussierung der herkömmlichen HF-SQUID ist ihre Magnetfeldempfindlichkeit trotz geringen Ei­ genrauschens geringer als die von konventionellen Wech­ selstrom-Washer-SQUID, die im Frequenzbereich von weni­ gen Hundert MHz arbeiten (Y. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Bd. 3, (1993) S. 2465-2468). Bei diesen wird die supraleitende Umrandung der SQUID-Schleife stark ver­ breitert, um so eine Feldfokussierung in die Schleife zu erreichen.

Die bekannten Washer-SQUID erfordern jedoch einen ex­ ternen Tankschwingkreis, der im allgemeinen aus diskre­ ten Bauelementen (Spulen und Kondensatoren) aufgebaut ist. Solche Resonatoren sind sowohl in ihrer Güte als auch in ihrer maximalen Resonanzfrequenz beschränkt und können nicht im GHz-Bereich betrieben werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein HF-SQUID mit Betriebsfrequenzen oberhalb 1 GHz zu schaffen, das den Nachteil geringer Flußfokussierung beseitigt und somit gleichzeitig ein geringes Eigenrauschen und eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit besitzt. Der Sensor soll dem­ gemäß bei hoher Frequenz betreibbar sein, eine hohe Gü­ te aufweisen und über eine ausreichende Flußfokussie­ rung verfügen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Integration von HF-Resonator und Flußfokus­ sierungsstruktur in einer gemeinsamen supraleitenden Fläche wird die Größenbegrenzung durch den Streifenlei­ ter der herkömmlichen HF-SQUID aufgehoben. So kann die gesamte zur Verfügung stehende Substratfläche ausge­ nutzt und eine hohe Feldfokussierung in die SQUID- Schleife erreicht werden. Außerdem kann auf einen ex­ ternen Resonator als Tankschwingkreis verzichtet wer­ den. Für einen erfindungsgemäßen planaren Resonator in Dünnschichttechnik können in Mikrostreifenkonfiguration Güten von bis zu einigen 1000, in Streifenleitung- oder Koplanarkonfiguration sogar bis zu einigen 10 000 er­ reicht werden.

Die Ankopplung der HF-Leistung an den Resonator erfolgt im Ein- oder Zweitorbetrieb in bekannter Weise z. B. über kapazitiv gekoppelte HF-Leitungen oder Antennen. Die resonante Flußfokussierungsstruktur ist dazu geome­ trisch so auszulegen, daß die angeregte HF-Stromvertei­ lung zu einem ausreichenden HF-Strom über den Joseph­ son-Kontakt führt. Die HF-Stromamplitude bestimmt dabei zusammen mit der SQUID-Induktivität die Stärke der Kopplung. Bei gegebener Induktivität steigt die Kopp­ lungskonstante k mit wachsender HF-Stromamplitude.

Frequenz und HF-Stromverteilung der resonanten Modi können durch feldtheoretische Computersimulationen mo­ delliert werden. Auf gängigen Substraten für die Ab­ scheidung von supraleitenden Schichten wie z. B. Lantha­ naluminat oder Saphir lassen sich für einen ca. 8_*8 mm² großen Resonator auf einem 10_*10 mm² großen Substrat Resonanzfrequenzen im Bereich 3-5 GHz für die Grund­ schwingung realisieren. Dadurch ist eine für den rauscharmen Betrieb des Sensors ausreichend hohe Fre­ quenz gewährleistet.

Gemäß Anspruch 2 kann der beschriebene Sensor bei einer Ausführung in hochtemperatursupraleitendem Material vorteilhaft bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffes eingesetzt werden. Die dem erfindungsgemä­ ßen HF-SQUID anhaftenden Vorteile sind aber auch auf der Basis von Tieftemperatursupraleitern voll nutzbar.

Ausführungsbeispiel

1. Computersimuliert wurde die HF-Stromverteilung eines konventionellen 8_*8² mm Washer-SQUID mit 200_*200 µm² SQUID-Fläche im Grundmodus (Mikrostreifenkonfiguration), bei dem im Gegensatz zum bisher bekannten Betriebsmodus mit externem Tankschwingkreis ein erfindungsgemäßer Be­ trieb des Washers selbst als HF-Resonator simuliert wurde. Die Resonanzfrequenz der Struktur auf einem 0,5 mm starkem Lanthanaluminatsubstrat liegt bei etwa 3,2 GHz.

Fig. 1 zeigt die zugehörige HF-Stromverteilung des über Mikrostreifenleitungen kapazitiv an die HF gekop­ pelten Washer-SQUID. Hohe HF-Stromdichten kommen nur entlang des Washer-Schlitzes und am Rand der SQUID- Schleife vor, mit dem Maximum am Ort des Josephson- Kontaktes.

2. Experimentell konnte dieser resonante Grundmodus für verschiedene Washer-SQUID aus dem Hochtemperatursupra­ leiter YBCO auf den Substraten Lanthanaluminat (0,5 und 1 mm dick, Resonanzfrequenz 3,25 GHz) und Stronti­ umtitanat (1 mm dick, Resonanzfrequenz 1,2 GHz) bei ei­ ner Temperatur von 77 K identifiziert werden. Bei allen untersuchten Anordnungen zeigten sich bei höheren Fre­ quenzen weitere Resonanzmoden, deren Eignung für den SQUID-Betrieb durch die jeweilige HF-Stromverteilung ge­ geben ist.

Die Ausprägung aller resonanter Moden konnte durch Va­ riation der Kopplungsgeometrie beeinflußt werden. Die belastete Güte der Washer-SQUID auf Strontiumtita­ natsubstraten stieg für Eingangsleistungen zwischen +10 dBm und -40 dBm von 900 auf 1300. Bei geringeren Ein­ gangsleistungen (im Magnetometerbetrieb) werden noch höhere Güten erreicht.

3. Mit einer Ausleseelektronik für Mikrowellen-SQUID (M. Mück, Rev. Sci. Instrum., Bd. 63, 1992, S. 2268-2273 wurden Washer-SQUID auf 1 mm starken Lanthanaluminatsubstraten mit SQUID-Flächen von 200_*200 µm² und 50_*50 µm² als Ma­ gnetometer betrieben. Die SQUID, die mit einer HF- Ankopplung im Eintorbetrieb in Reflexion ausgelesen wurden, zeigten eine deutliche Modulation der Spannung V als Funktion des Magnetflusses F, wie aus der in Fig. 2 gezeigten V(F)-Kennlinie entnehmbar ist.

Im Ergebnis zeigt sich damit, daß bereits herkömmliche RF-Washer-SQUID, wie sie z. B. aus Y. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Bd. 1993, S. 2465-2468 bekannt sind, als HF-SQUID mit resonanter flußfokussierender Struktur als Tankschwingkreis betrieben werden können.

Claims (2)

1. Hochfrequenz-SQUID mit einer wenigstens einen Josephson- Kontakt enthaltenden SQUID-Schleife und einer Flußfokussierungsstruktur aus supraleitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußfokussierungsstruktur so ausgebildet ist, daß sie gleichzeitig als Tankschwingkreis wirkt, in dem ein oder mehrere resonante Moden zur Ankopplung der Hochfrequenzleistung an die SQUID- Schleife genutzt werden.

2. SQUID nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausführung der flußfokussierenden Struktur in hochtemperatursupraleitendem Material.