DE4436448C1 - SQUID with increased energy resolution - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein supraleitendes Quanten- Interferometer (SQUID) mit schichtförmig auf der Vorder seite eines Substrates gebildeter, einen Josephson-Kontakt enthaltender supraleitender Schleife und mit einem supraleitenden Resonator, der zur Ankopplung an SQUID-Signale der Schleife vorgesehen ist.The invention relates to a superconducting quantum Interferometer (SQUID) with layered on the front side of a substrate, one Superconducting loop containing Josephson contact and with a superconducting resonator that is used for coupling of SQUID signals of the loop is provided.
Aus Y. Zhang et al., Supercond. Sci. Technol., 7, 1994, S. 269-272 ist ein SQUID für den Hochfrequenzbereich (HF-SQUID) bekannt, bei dem auf einer erste (Vorder-)Seite eines Substrats eine supraleitende Schicht gebildet und lateral in Form einer Schleife mit Mikrobrücke als Josephson-Kontakt strukturiert ist.From Y. Zhang et al., Supercond. Sci. Technol., 7, 1994, P. 269-272 is a SQUID for the high frequency range (HF-SQUID) known in which on a first (Front) side of a substrate is a superconducting Layer formed and laterally in the form of a loop Microbridge is structured as a Josephson contact.
Dabei ist die SQUID-Schleife so ausgebildet, daß sie gleichzeitig als flußfokussierendes Element die Fokussierung eines magnetischen Flusses in die Schleifenöffnung hinein bewirkt. Außerdem ist auf der Vorderseite des Substrats ein supraleitender Resonator vorgesehen, der mit der SQUID-Schleife gekoppelt ist.The SQUID loop is designed so that it at the same time as the flow-focusing element Focusing a magnetic flux into the Loop opening into it. It is also on the Front of the substrate is a superconducting resonator provided that is coupled to the SQUID loop.
Der Resonator ist dabei als λ-Resonator ausgebildet, wenn auch beispielsweise aus M. Strupp et al., Contribution to the Workshop on HTS Josephson Junctions and 3-Terminal Devices, University of Twente, The Netherlands, 2-4 May 1994, ein SQUID mit S-förmigem λ/2-Resonator bekannt ist. Dabei ist der Resonator in Mikrostreifenkonfiguration hergestellt.The resonator is designed as a λ resonator, albeit, for example, from M. Strupp et al., Contribution to the Workshop on HTS Josephson Junctions and 3-Terminal Devices, University of Twente, The Netherlands, 2-4 May 1994, a SQUID with an S-shaped λ / 2 resonator is known. The resonator is in Microstrip configuration manufactured.
Zwar hat ein solcher SQUID mit λ/2-Resonator eine relativ hohe Energieauflösung bei relativ niedrigem Rauschen. Nachteilig ist jedoch die mäßige Resonatorgüte in der Größenordnung von bis zu etwa 3000 bei 77 K. Außerdem zeigen die SQUIDs mit λ/2- Resonator aus Platzgründen auf der Resonator-SQUID- Schleifen-Seite des Substrats nur relativ kleine Fluß fokussierungselemente, so daß die Feldauflösung sehr gering ist.Such a SQUID with λ / 2 resonator does relatively high energy resolution with relatively low Noise. However, the moderate is a disadvantage Resonator quality in the order of up to approximately 3000 at 77 K. In addition, the SQUIDs with λ / 2- Resonator due to lack of space on the Resonator-SQUID- Loop side of the substrate only relatively small flow focusing elements, so the field resolution is very is low.
Demgegenüber vergleichsweise besser ist die Feldauflösung bei SQUIDs mit λ-Resonator. Nachteilig bei diesen SQUIDS ist jedoch ein verhältnismäßig großes Flußrauschen bei kleinen Resonatorgüten in der Größenordnung von etwa 300 bei 77 K.In contrast, it is comparatively better Field resolution with SQUIDs with λ resonator. Disadvantageous with these SQUIDS, however, is a relatively large one Flow noise with small resonator qualities in the Order of magnitude of around 300 at 77 K.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen SQUID mit gekop peltem Resonator zu schaffen bei dem die genannten Nachteile verringert sind und das, gegenüber den bekannten SQUIDs eine erhöhte Energieauflösung bei niedrigem Rauschen und hoher Feldempfindlichkeit aufweist.It is an object of the invention to Kopop a SQUID to create peltem resonator in which the aforementioned Disadvantages are reduced and that compared to the known SQUIDs an increased energy resolution at low Noise and high field sensitivity.
Die Aufgabe wird durch einen SQUID mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is carried out by a SQUID with the characteristics of claim 1 solved.
Es wurde erkannt, den Washer-SQUID als Grundplatte eines supraleitenden Streifenleitungs-Resonator auszu bilden, der aus drei übereinander parallel angeordne ten, durch jeweils ein als Dielektrikum wirkendes Substrat getrennten, supraleitenden Schichten besteht. Die mittlere supraleitende Schicht ist in Form des Resonatorteils strukturiert. Der Resonatorteil kann dabei gegebenenfalls Koppelleitungen enthalten. Damit das maximale SQUID-Signal ausgelesen werden kann, ist der SQUID lateral an einem Ort positioniert, wo der Hochfrequenzstrom fließt.The Washer-SQUID was recognized as the base plate a superconducting stripline resonator form, which consist of three superimposed in parallel ten, each with one acting as a dielectric There are separate, superconducting layers. The middle superconducting layer is in the form of the Structured resonator part. The resonator part can may contain coupling lines. In order to the maximum SQUID signal can be read out the SQUID is positioned laterally at a location where the High frequency current flows.
Je kleiner die Kopplung k des SQUIDs an den Resonator, desto größer ist das auslesbare SQUID-Signal. Dies gilt unter der VoraussetzungThe smaller the coupling k of the SQUID to the resonator, the larger the readable SQUID signal. this applies provided
k²*QL 1.k² * Q L 1.
Dabei ist QL die belastete Güte des Resonators. Da diese im vorliegenden Fall sehr groß sein kann, kann k klein gewählt werden. Die Kopplung k ist gleichläufig zum HF-Strom im SQUID-Schleifenbereich.Q L is the loaded quality of the resonator. Since this can be very large in the present case, k can be chosen to be small. The coupling k is the same as the HF current in the SQUID loop range.
Eine Einstellung von k kann somit zum einen durch laterale Verschiebung des SQUIDs relativ zum Resonator erzielt werden. Zum anderen kann die Änderung von k auch durch Variation des Abstandes des SQUIDs zum Resonator gezielt eingestellt werden.A setting of k can therefore be lateral displacement of the SQUID relative to the resonator be achieved. On the other hand, changing k also by varying the distance of the SQUID to the Resonator can be set specifically.
Schließlich ist die dritte supraleitende Schicht auf der Rückseite des zweiten Substrats lateral so struk turiert, daß sie der Strukturierung der SQUID- Schleifenstruktur auf der Vorderseite des ersten Substrats mit Ausnahme des Bereichs des Josephson- Kontaktes entspricht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die flußfokussierende Wirkung der ersten Schicht durch diese dritte supraleitende Schicht unterstützend verstärkt.Finally, the third superconducting layer is on the back of the second substrate laterally so struk that the structuring of the SQUID Loop structure on the front of the first Substrate except the area of the Josephson Contact corresponds. This will be more advantageous Way the flow-focusing effect of the first Layer through this third superconducting layer supportive strengthened.
Im Ergebnis erhält man einen SQUID, der die bisherigen Vorzüge bekannter Mikrowelle-SQUIDs, insbesondere die hohe Energieauflösung und niedriges Rauschen, weiter verbessert und gleichzeitig eine hohe Feldempfind lichkeit erreicht wird.The result is a SQUID that matches the previous one Benefits of well-known microwave SQUIDs, especially the high energy resolution and low noise, further improved and at the same time a high field sensitivity is achieved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren erläutert.An embodiment of the invention is based on the Figures explained.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 Schematischer Querschnitt durch den erfindungsgemäßen SQUID in der in Fig. 2a-c angedeuteten A-A-Ebene, Fig. 1 Schematic cross-section through the inventive SQUID as shown in Fig. 2a-c indicated AA level,
Fig. 2a Schematische Darstellung der lateralen Geometrie der die SQUID-Schleife mit Josephson-Kontakt und Flußfokussierungs element bildenden, erste, supraleitenden Schicht auf dem ersten Substrat, Fig. 2a shows a schematic representation of the geometry of the lateral element forming, first, the superconducting SQUID loop with Josephson junction and Flußfokussierungs layer on the first substrate,
Fig. 2b Schematische Darstellung der lateralen Geome trie des U-förmigen Resonators auf dem zweiten Substrat, FIG. 2b shows a schematic representation of the lateral Geome trie of the U-shaped resonator on the second substrate,
Fig. 2c Schematische Darstellung der lateralen Geome trie der dritten, supraleitenden Schicht auf der Rückseite des zweiten Substrats. Fig. 2c Schematic representation of the lateral geometry of the third, superconducting layer on the back of the second substrate.
In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer SQUID im Quer schnitt durch die in den Fig. 2a bis 2c dargestellte A-A-Ebene schematisch dargestellt. Die eine Seite eines erste LaAlO₃-Substrats 1 weist eine supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schicht 2 auf, die zur Bildung der SQUID- Funktion lateral geeignet strukturiert ist (Fig. 2a).In Fig. 1, a SQUID according to the invention is shown schematically in cross section through the AA plane shown in Figs. 2a to 2c. One side of a first LaAlO₃ substrate 1 has a superconducting YBa₂Cu₃O₇ layer 2 , which is laterally suitably structured to form the SQUID function ( Fig. 2a).
Ein zweites LaAlO₃-Substrat 3 weist auf einer Seite zur Bildung des Resonators 4 eine lateral, U-förmig strukturierte, supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schicht auf (Fig. 2b). Dabei weist das zweite Substrat 3 auf der Rückseite eine weitere, supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schicht 5 auf, deren laterale Geometrie in Fig. 2c dargestellt ist. A second LaAlO₃ substrate 3 has on one side to form the resonator 4, a laterally, U-shaped, superconducting YBa₂Cu₃O₇ layer ( Fig. 2b). The second substrate 3 has on the back a further, superconducting YBa₂Cu₃O₇ layer 5 , the lateral geometry of which is shown in Fig. 2c.
Das zweite Substrat 3 wird relativ zum ersten Substrat 1 so positioniert, daß im Ergebnis drei parallel angeordnete, supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schichten, jeweils voneinander getrennt durch dielektrisches LaAlO₃ 1 und 3, gebildet sind.The second substrate 3 is positioned relative to the first substrate 1 so that the result is three parallel superconducting YBa₂Cu₃O₇ layers, each separated from one another by dielectric LaAlO₃ 1 and 3.
In den Fig. 2a bis 2c sind schematisch die lateralen Geometrien der drei supraleitenden Schichten 2, 4, 5 dargestellt.The lateral geometries of the three superconducting layers 2 , 4 , 5 are shown schematically in FIGS. 2a to 2c.
Die laterale Strukturierung der supraleitenden Schicht 2 weist einen quaderförmigen Schichtbereich auf, in deren Mitte eine SQUID-Schleifen-Öffnung 6 von 50* µm² und außerdem eine supraleitende Mikro brücke als Josephson-Kontakt 7 und eine schlitzförmige Öffnung 8 - zur Maximierung der flußfokussierenden Wirkung der Schicht 2 - enthalten sind.The lateral structuring of the superconducting layer 2 has a cuboid layer region, in the middle of which a SQUID loop opening 6 of 50 * µm² and also a superconducting micro bridge as a Josephson contact 7 and a slot-shaped opening 8 - to maximize the flow-focusing effect of the Layer 2 - are included.
In Fig. 2b ist der supraleitende, planare Resonator 4 relativ zur quaderförmigen Ausbildung der supra leitenden Schicht 2 oder 5 als U-förmig strukturierte, supraleitende Schicht 4 dargestellt.In Fig. 2b, the superconducting planar resonator 4 is structured relative to the cuboid formation of the superconducting layer 2 or 5 as a U-shaped, superconducting layer 4 is shown.
Schließlich zeigt die Fig. 2c die laterale Geometrie der supraleitenden Schicht 5. Sie entspricht bis auf die supraleitende Mikro-Brücke als Josephson-Kontakt 7 der lateralen Geometrie der SQUID-bildenden Schicht 2. Entgegen der geneigten Darstellung ist jedoch die der Schleifenöffnung 6 entsprechenden Öffnung in der Schicht 5 nicht gleich groß, sondern tatsächlich - zur Erhöhung der flußfokussierenden Wirkung der Schicht 5 - zu 300*300 µm² gewählt.Finally, FIG. 2 c shows the lateral geometry of the superconducting layer 5 . Except for the superconducting micro-bridge as Josephson contact 7, it corresponds to the lateral geometry of the SQUID-forming layer 2 . Contrary to the inclined representation, however, the opening in the layer 5 corresponding to the loop opening 6 is not the same size, but actually - to increase the flow-focusing effect of the layer 5 - is chosen to be 300 * 300 µm².
Der in den Fig. 1, 2a bis 2c dargestellte SQUID mit U- förmigem Resonator ist als System modular aufgebaut, so daß dadurch die Möglichkeit gegeben ist, den Resonator 4 mit Substrat 3 und Schicht 5 gegen das System aus Substrat 1 und Schicht 2 auszutauschen.The SQUID shown in FIGS . 1, 2a to 2c with a U-shaped resonator has a modular structure, so that this makes it possible to replace the resonator 4 with substrate 3 and layer 5 by the system comprising substrate 1 and layer 2 .
Die des Resonators kann einfach ermittelt werden, indem man an Stelle des SQUIDs 1, 2 einen supraleitenden Film als Endplatte einsetzt.That of the resonator can be determined simply by using a superconducting film as the end plate instead of SQUID 1 , 2 .
Der modulare Aufbau erlaubt auf diese Weise das System 4, 3 und 5 als Test-System für Washer-SQUIDs 1 und 2 mit verschiedenen Parametern wie z. B. die SQUID- Induktivität βL, einzusetzen. Bei einer solchen verfahrensmäßigen Vorgehensweise läßt sich der optimale Betriebsmodus eines ausgewählten Washer-SQUIDs finden.The modular structure allows the system 4 , 3 and 5 as a test system for washer SQUIDs 1 and 2 with different parameters such as. B. use the SQUID inductance β L. With such a procedural approach, the optimal operating mode of a selected washer SQUID can be found.
Des weiteren ist es dabei vorstellbar, dabei die Temperatur des Systems zu variieren oder auch die Koppelstärke bzw. Resonatortiefe durch gezielte Veränderung des Abstandes zwischen SQUID und Resonator, z. B. durch Wahl von Substraten 1 unterschiedlicher Dicke, einzustellen.Furthermore, it is conceivable to vary the temperature of the system or the coupling strength or resonator depth by deliberately changing the distance between the SQUID and the resonator, e.g. B. by choosing substrates 1 of different thicknesses.
Das vorliegende SQUID-Resonator-System kann auch mit einer Ausleseelektronik über Zweitorankopplung, wie es beispielsweise aus M. Hein et al., Contribution to the Workshop on HTS Josephson Junction and 3-Terminal Devices, University of Twente, The Netherlands, 2-4 May 1994 bekannt ist, betrieben werden.The present SQUID resonator system can also be used a readout electronics via two-port coupling, like it for example from M. Hein et al., Contribution to the Workshop on HTS Josephson Junction and 3-Terminal Devices, University of Twente, The Netherlands, 2-4 May 1994 is known to be operated.
Der erfindungsgemäße SQUID kann sowohl im HF-Bereich als auch bei niedrigen Frequenzen mit- herkömmlicher Ausleseelektronik für RF-Washer-SQUIDs betrieben werden. The SQUID according to the invention can be used both in the HF range as well as more conventional at low frequencies Readout electronics operated for RF washer SQUIDs will.
Außer U-förmigen Resonatoren können auch S-förmige, λ- oder λ/2-Resonatoren beim erfindungs gemäßen SQUID zum Einsatz kommen.In addition to U-shaped resonators, too S-shaped, λ or λ / 2 resonators in the invention according to the SQUID.
Allgemein zum Betrieb ist es zweckmäßig, das System in ein hochfrequenzmäßig dichtes, aber für den Regelfall magnetisch durchlässiges Gehäuse einzubauen. Zu diesem Zweck können als Abschlüsse der Resonatorgrundplatten metallisierte Isolatoren eingesetzt werden, die die oben angeführte Bedingung aufgrund der Frequenzab hängigkeit der Skintiefe erfüllen.In general, it is advisable to operate the system in a high-frequency tight, but for the rule to install a magnetically permeable housing. To this Can be used as terminations of the resonator base plates metallized insulators are used that the Above condition due to frequency ab depending on the depth of the skin.
Für den in den Fig. 1 und 2a bis 2c dargestellten SQUID wurden Substratdicken von 0,5 mm und Schichtdicken für die supraleitenden Schichten 2, 4 und 5 von jeweils 200 nm YBa₂Cu₃O₇ gewählt. Die beiden Enden des U-förmigen Resonators waren etwa 5 mm voneinander entfernt, die Abmessungen der quaderförmigen Schichten 2 und 5 betrugen 88 mm².For the SQUID shown in FIGS . 1 and 2a to 2c, substrate thicknesses of 0.5 mm and layer thicknesses for the superconducting layers 2 , 4 and 5 each of 200 nm YBa₂Cu₃O₇ were chosen. The two ends of the U-shaped resonator were about 5 mm apart, the dimensions of the cuboid layers 2 and 5 were 88 mm².
Claims (1)
- - der Resonator (4) schichtförmig gebildet mit der Vorderseite eines zweiten Substrats (3) fest verbunden ist,
- - der Resonator (4) an der Rückseite des ersteren Substrats (1) anliegt,
- - das zweite Substrat (3) auf seiner Rückseite eine supraleitende Schicht (5) aufweist, die lateral geometrisch der Strukturierung der Schleife des ersten Substrats (1) mit Ausnahme der Beschichtung im Bereich des Josephson-Kontaktes (7) entspricht und
- - als Substratmaterial (1, 3) dielektrisches Material verwendet ist.
- the resonator ( 4 ) is formed in a layered manner and is firmly connected to the front of a second substrate ( 3 ),
- - The resonator ( 4 ) rests on the back of the former substrate ( 1 ),
- - The second substrate ( 3 ) has on its rear side a superconducting layer ( 5 ) which corresponds laterally geometrically to the structuring of the loop of the first substrate ( 1 ) with the exception of the coating in the region of the Josephson contact ( 7 ) and
- - As the substrate material ( 1 , 3 ) dielectric material is used.
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| 8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
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