DE69208761T2 - Squid-Mischer mit drei Übergängen - Google Patents

Squid-Mischer mit drei Übergängen

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    • H03B15/003Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using superconductivity effects
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    • HELECTRICITY
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Description

    SQUID-Mischer mit drei Übergängen
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein SQUID (supraleitendes Quanteninterferometer) mit drei Übergängen und betrifft im besonderen eine SQUID-Mischerschaltung mit drei Übergängen.
  • Der Mischer kann für die Aufwärtswandlung von sehr niederfrequenten Signalen oder für die Abwärtswandlung von hochfrequenten Signalen verwendet werden, um Probleme, die mit übermäßigem Rauschen von hochauflösenden oder durch Quantenrauschen begrenzten SQUID-Systemen verbunden sind, zu minimieren oder zu lösen.
  • Die vorliegende Erfindung löst ein signifikantes Problem, das mit übermäßigem Rauschen bei der Erkennung von Magnetflußsignalen verbunden ist, wie es bei biomagnetischen oder militärischen Anwendungen vorhanden sein kann. Für die Minimierung und Lösung von Problemen, die, wie hiernach diskutiert werden wird, mit übermäßigem Rauschen bei der Detektion von Magnetflußsignalen in hochauflösenden oder durch Quantenrauschen begrenzten SQUID-Systemen verbunden sind, ist keine wirksame alternative Lösung bekannt.
  • Das U.S.-Patent 4 117 354 mit dem Titel "Two--Part Current Injection Interferometer Amplifiers and Logic Circuits" offenbart Interferometer mit Josephson-Übergang, die nichtlineare Schaltoder Schwellwert-Charakteristika besitzen. Die nichtlineare Schwellwert-Charakteristik wird in bevorzugter Weise durch Anlegen eines Injektionsstroms an einen Punkt des Interferometers erreicht, der verschieden ist von dem Punkt, an dem der Schaltstrom normalerweise angelegt wird. Die sich ergebende Nichtlinearität stellt die große Verstärkung bereit.
  • Die nichtlineare Schaltcharakteristik kann auch dadurch erreicht werden, daß ein Injektionsstrom an denselben Punkt des Interferometers angelegt wird, an den der Schaltstrom normalerweise angelegt wird. Jedoch wird, um eine gewünschte nichtlineare Schaltcharakteristik zu erreichen, ein Teil des angelegten Injektionsstroms elektromagnetisch in die Interferometer-Induktivität eingekoppelt.
  • Das U.S.-Patent 4 117 503 mit dem Titel "Josephson Interferometer Structure which Suppresses Resonances" offenbart, daß bei Josephson-Interferometern mit induktiven, kapazitiven und resistiven Komponenten Resonanzerscheinungen mit relativ großen Amplituden auftreten, die jenen ähneln, die in mit Gas gefüllten Leitungen beobachtet werden. Interferometerstrukturen zeigen dasselbe Resonanzverhalten wie lange Tunnelübergänge, mit der Ausnahme, daß nur so viele diskrete Resonanzspannungen wie Maschen im Interferometer vorhanden sind. Folglich besitzt ein Interferometer mit zwei Übergängen eine Resonanz, wogegen in einem Interferometer mit drei Übergängen zwei Resonanzen auftreten. In der Strom-Spannungs-Kennlinie eines Josephson-Bauelementes, wie beispielsweise eines Interferometers, erscheinen solche Resonanzen als Stromstufen, die beim Entwurf von Josephson-Schaltstufen hauptsächlich deshalb berücksichtigt werden müssen, um Situationen zu verhindern, in denen die Last-Kennlinie einer externen Last eine Resonanzspitze schneidet. Dort wo sich die Last-Kennlinie und die Resonanzspitze schneiden, kann das Bauelement, weil ein solcher Schnittpunkt einen stabilen Zustand repräsentiert, nicht auf die volle gewünschte Spannung schalten. Solche Resonanzen können in Interferometern wirksam unterdrückt werden, indem ein Widerstand bereitgestellt wird, der zu der Hauptinduktivität des Interferometers parallelgeschaltet wird. In einem Interferometer mit zwei Übergängen wird der Widerstand günstigerweise zwischen die Metallisierungen der Basiselektroden geschaltet, welche dazu verwendet werden, um eine der Elektroden jedes der Elektrodenpaare zu bilden, die für jeden Interferometerübergang benötigt werden. Im Fall, daß mehr als zwei Übergänge verwendet werden, wird ein die Resonanz unterdrückender Widerstand jeweils zwischen Übergangspaare und über die Hauptinduktivität, welche die Übergänge verbindet, geschaltet. Es werden sowohl die Struktur eines Interferometers mit zwei Übergängen mit einem Widerstand zur Unterdrückung der Resonanz als auch der schematische Aufbau eines Interferometers mit mehreren Übergängen dargestellt, was klar zeigt, wie solche Strukturen hergestellt werden können.
  • Das U.S.-Patent 4 916 335 mit dem Titel "Superconducting Circuit" beschreibt eine supraleitende Schaltung vom Typ eines Quantenfluß-Parametrons, in welcher ein Pfad mit einem Josephson-Bauelement zu den Erreger-Induktionsspulen des Quantenfluß-Parametrons parallelgeschaltet wird oder in welcher die Induktionsspulen der Erregerleitung mit den Erreger-Induktionsspulen magnetisch gekoppelt werden, wodurch sich eine Phasenregelung ergibt.
  • Das Japanische Patent 63-261885 mit dem Titel "Three-Junction DC SQUID Gate" beschreibt eine geschlossene supraleitende Schaltung, die aus ersten, zweiten und dritten Leitungszweigen besteht, die mit den beiden Enden einer Schaltstromleitung verbunden und zueinander parallelgeschaltet sind. Die erste Abzweigleitung enthält eine Reihenschaltung einer Induktivität und eines Josephsonelementes, das einen kritischen Stromwert besitzt. Die zweite Abzweigleitung enthält nur ein Josephsonelement, das einen zweiten kritischen Stromwert besitzt. Die dritte Abzweigleitung enthält eine Reihenschaltung einer Induktivität und eines Josephsonelementes, das einen dritten kritischen Stromwert besitzt. Die Induktivitäten bilden ein Gleichstrom-SQUID-Gatter, das über die magnetische Induktion mit einer Steuerstromleitung verkoppelt ist. Dabei wird ein ausreichend breiter Betriebsbereich erreicht, wobei eine hohe Verstärkung oder eine hohe Empfindlichkeit erhalten bleiben.
  • Die Europäische Patentanmeldung 0 076 160 mit dem Titel "Josephson Junction Logic Device" offenbart ein logisches Bauelement mit Josephson-Übergang, das mindestens erste und zweite supraleitende Schleifen und mindestens zwei Leitungen für logische Eingangssiqnale enthält, wobei jede der Leitungen für die logischen Eingangssignale gegenüber einer der supraleitenden Schleifen angeordnet ist, so daß jede der Leitungen für die logischen Eingangssignale mit nur einer der supraleitenden Schleifen magnetisch gekoppelt werden kann, und von der anderen supraleitenden Schleife magnetisch unabhängig ist, wobei der zulässige Bereich, in dem das Bauelement im supraleitenden Zustand gehalten wird, erweitert wird.
  • Das IBM Technical Disclosure Bulletin 21062534 von P. Gueret mit dem Titel "New Type of Single Flux Quantum Cell with Large Margins" beschreibt ein mittig gespeistes Interferometer mit drei Übergängen, das Übergänge besitzt, die mit einer Mitten-Induktivität in Reihe geschaltet sind.
  • Das IBM Technical Disclosure Bulletin 274A2157 von 5. B. Kaplan beschreibt ein logisches Bauelement mit mehreren Übergängen, das zwei supraleitende Schleifen mit drei Jösephson-Übergängen und zwei Eingangssignalleitungen benutzt. Kaplan offenbart auch ein ähnliches SQUID, das lediglich eine einzelne Eingangsspule besitzt, in welcher die Schaltung ein Eingangssignal in der Eingangsspule benutzt, um das SQUID von einem Null-Spannungszustand in einen Spannungszustand zu schalten. Dies ist eine gemeinsame Eigenschaft aller dem Stand der Technik entsprechenden Quellen, welche auf das Schalten von Computern und auf Anwendungen in Speicherschaltungen zielen, in welchen eines der zwei Eingangssignale in Form eines Flusses vorliegt, der über eine Spule in das SQUID eingekoppelt wird, während das andere Eingangssignal über einen Schaltstrom direkt an die SQUID-Übergänge angelegt wird. Die darin offenbarte Schaltungsanordnung mit drei Josephson-Übergängen gleicht der der vorliegenden Erfindung, jedoch offenbart, lehrt oder betrachtet Kaplan in keiner Weise die Schaltungsanordnung als ein Mischer-Bauelement zum Aufwärtswandeln sehr niederfrequenter Signale, wodurch die Probleme mit niederfrequenten Rauschbegrenzungen minimiert und gelöst werden, oder zum Abwärtswandeln von hochfrequenten Signalen.
  • Das IBM Technical Disclosure Bulletin 25062940 von W. H. Chang beschreibt ein Josephson-Interferometer mit drei Übergängen mit zwei supraleitenden Schleifen, welche eine geringe Fehlanpassung ihrer LIo-Produkte aufweisen, um ein geringfügig asymmetrisches Interferometer bereitzustellen.
  • Keine der dem Stand der Technik entsprechenden Quellen, die oben diskutiert wurden, offenbart oder lehrt Schaltungen, die in einer der vorliegenden Erfindung entsprechenden Weise, wie diese beansprucht wird, betrieben werden, wobei ein supraleitendes Quanteninterferometer mit drei Übergängen, das ein nichtlineares Element, wie beispielsweise einen Josephson-Übergang umfaßt, in Kombination mit zwei weiteren Übergängen verschaltet und mit zwei Eingangsspulen verbunden wird, um eine Schaltung bereitzustellen, die als Mischer zum Mischen von zwei Magnetfluß-Eingangssignalen angewandt werden kann.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik, speziell zu Kaplan,wird in der beanspruchten Erfindung das SQUID auf einen gewissen festen Strompegel vorgespannt, welcher den veränderlichen Schaltstrom aller dem Ständ der Technik entsprechenden Bauelemente ersetzt. Außerdem verändert sich die Spannung über dem SQUID, weil die beiden Eingangsmägnetflüsse mittels der nichtlinearen Charakteristika des SQUID mit drei Übergängen gemischt werden, was sich von dem Schwellwert-Schalten der dem Stand der Technik entsprechenden Bauelemente sehr stark abhebt.
  • Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfin- dung, ein SQUID mit drei Übergängen bereitzustellen, wobei ein nichtlineares Element, wie beispielsweise ein Josephson-Übergang an ein Gleichstrom-SQUID gekoppelt wird, das aus zwei weiteren Übergängen und zwei Eingangsspulen gebildet wird, um eine Schaltung bereitzustellen, die als Mischer zum Mischen von zwei Magnetfluß-Eingangssignalen angewandt werden kann. Das Bauelement kann für die Aufwärtswandlung von sehr niederfrequenten Signalen oder für die Abwärtswandlung von hochfrequenten Signalen verwendet werden, um Probleme, die mit übermäßigem Rauschen von hochauflösenden oder durch Quantenrauschen begrenzten SQUID-Systemen verbunden sind, zu minimieren und zu lösen.
  • Die vorstehenden Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung, einen SQUID-Mischer mit drei Übergängen betreffend, kann der Fachmann leichter verstehen, wenn er sich auf die folgende detaillierte Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen derselben bezieht, und diese zu den begleitenden Zeichnungen in Verbindung setzt, worin gleiche Elemente der verschiedenen Ansichten durch identische Referenznummern gekennzeichnet sind, und in welchen:
  • Figur 1 einen Schaltplan eines typischen, dem Stand der Technik entsprechenden Gleichstrom-SQUID darstellt, das zwei Josephson-Übergänge umfaßt, die in einer supraleitenden Schleife miteinander verschaltet sind, welches mit einem Strom I vorgespannt wird und mit dem Fluß Φ arbeitet;
  • Figur 2a die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Gleichstrom-SQUID mit den Flüssen nΦo und (n+½)Φo darstellt;
  • Figur 2b die Spannung V über einem Gleichstrom-SQUID als Funktion des Flusses Φ/Φo auf dem festen Stromvorspannwert darstellt, der in Figur 2a durch die Strichlinie gekennzeichnet ist;
  • Figur 3 eine erste Ausführungsform eines SQUID-Mischers mit drei Übergängen gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • Figur 4 eine zweite umfangreichere Ausführungsform eines SQUID-Mischers mit drei Übergängen gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • Figur 5 eine Darstellung der Fluß-Rauschenergie ε als Funktion der Frequenz f zeigt und verdeutlicht, wie der Mischer der vorliegenden Erfindung die mit der spektralen Leistungsdichte des Rauschens verbundenen Probleme minimiert und löst;
  • Figur 6 eine Kurvenschar der mittleren Spannung als Funktion der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte von ΦM darstellt, welche für die Erklärung der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
  • Figur 7 eine Kurvenschar der mittleren Spannung als Funktion der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte von ΦM darstellt, welche für die Erklärung der Arbeitsweise eines konventionellen Gleichstrom-SQUID in einem Flußregelkreis von Nutzen ist; und
  • Figur 8 den Verlauf der Ausgangssignalspannung als Funktion der Zeit für den konventionellen Gleichstrom-SQUID darstellt.
  • Supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) sind dem Stand der Technik entsprechend wohlbekannt und haben normalerweise ein oder zwei Josephson-Übergänge (oder andere nichtlineare Elemente wie beispielsweise eine schwache Flußverkettung, welche eine hysteresefreie strom-spannungs-Kennlinie ähnlich einem Josephson-Übergang besitzt), welche bei einer Temperatur von weni- gen Grad Kelvin arbeiten und einen Magnetflußdetektor höchster Empfindlichkeit bereitstellen. Durch Verbinden dessen mit einer geeigneten Schaltung sind empfindliche Messungen physikalischer Parameter, einschließlich von Spannung, Widerstand, Magnetfeldgradienten, magnetischer Suszeptibilität und Verschiebungen, über weite Bereiche möglich.
  • Das SQUID mit zwei Übergängen oder Gleichstrom-SQUID wurde 1964 erstmalig bekannt und in der Tieftemperatur-Physik ziemlich häufig angewandt. Im Jahr 1970 wurde das SQUID mit einem Übergang oder Hochfrequenz-SQUID bekannt, das kommerziell verfügbar ist und deshalb viel verbreiteter eingesetzt wurde, als das Gleichstrom-Bauelement, speziell durch Nichtspezialisten außerhalb der Grenzen von Tieftemperatur-Laboratorien. In der Mitte der 70ger Jahre führte jedoch die Erkenntnis, daß das Gleichstrom-SQUID potentiell weit empfindlicher ist als das Hochfrequenz-SQUID zusammen mit den Fortschritten in der Dünnschicht-Technologie, welche dazu führten, daß die Herstellung von zwei Übergängen nicht mehr schwieriger war als die Herstellung eines einzelnen Übergangs, zu einer umfangreichen Entwicklung des Gleichstrom-
  • SQUID.
  • Die makroskopische Theorie der Supraleitung, die von John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer entwickelt wurde, sagt aus, das unterhalb der Supraleitungs-Übergangstemperatur, welche bei konventionellen supraleitenden Materialien typischerweise einige wenige Grad Kelvin beträgt, zumindest einige der frei beweglichen Elektronen in einem supraleitendenmaterial paarweise verbunden sind. Jedes dieser "Cooper-Paare" besteht aus zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin und in Abwesenheit von angelegten Strömen oder magnetischen Feldern gleichen und entgegengesetzten Momenten, so daß sowohl der resultierende Spin als auch das resultierende Moment Null sind. Die Paare werden in einen einzelnen makroskopischen Quantenzustand versetzt, der durch die makroskopische Wellenfunktion
  • ψ(r,t) = [ψ(r,t)]eiΦ(r,t)
  • Die Phase Φ(r,t) ist im Supraleiter kohärent. Somit ist die Supraleitung ein makroskopisches Quanten-Phänomen.
  • Die Fernordnung der Energiezustände hat viele bedeutende Konsequenzen. Erstens führt sie zu einer unbegrenzten elektrischen Leitfähigkeit. Ein Strom, der in einen supraleitenden Ring induziert wird, wird durch Cooper-Paare getragen und besteht für immer. Der Magnetfluß durch den Ring, der durch diesen Strom erzeugt wird, kann jedoch keine beliebigen Werte annehmen, sondem wird in Vielfache des Flußquantums Φo gequantelt, welches das Verhältnis der Planck-Konstante zur Ladung des Cooper-Paars darstellt: h/2e oder ungefähr 2x10&supmin;¹&sup5; Wb. Somit ist der eingeschlossene Fluß Φ ein ganzzahliges Vielfaches des Flußquantums: = nΦo, n = 0, 1, 2, .... Dieses Phänomen der Flußquantelung ist eine weitere Folge der;makroskopischen Wellenfunktion; die Forderung, daß ψ,(r,t) einen einzelnen Wert hat, bedeutet, daß die Phase Φ(r,t) sich genau um 2πn verändern muß, wenn man einmal um den Ring geht.
  • Eine dritte Konsequenz der Fernbereichs-Phasenkohärenz ist der Josephson-Tunneleffekt, der 1962 erstmalig von Brian Josephson erwähnt wurde. Wenn man zwei Supraleiter betrachtet, die durch eine dünne Isblationsschicht getrennt sind, welche Cooper-Paare quantenmechanisch durchtunneln können, so wird durch diesen Prozeß die Phasenkohärenz zwischen den zwei Supraleitern erhalten. Josephson hat gezeigt, daß die Differenz δ zwischen den Phasen auf beiden Seiten des Übergangs mit dem Supraleitungsstrom I verbunden ist, der durch die Sperrschicht fließt, wobei gilt sin δ = I/Io, worin Io der kritische Strom ist, das heißt, der maximale Supraleitungsstrom, den der Übergang aufrechterhalten kann. Bei angelegten Strömen, die größer sind als der kritische Strom, tritt über dem Übergang eine Spannung V auf, und die Phasendifferenz δ wächst mit der Zeit entsprechend dδ/dt = 2nv/Φo.
  • Die Flußquantelung und der Josephson-Tunneleffekt sind wesentliche Betriebscharakteristika eines SQUID.
  • Zwei Josephson-Tunnelübergänge, die in einem Gleichstrom-SQUID parallelgeschaltet sind, zeigen eine Quanteninterferenz. Wenn der Magnetfluß Φ durch die supraleitende Schleife verändert wird, oszilliert der kritische Strom mit einer Periode gleich dem Flußquantum Φo. Diese Oszillationen ergeben sich aus der Interferenz zwischen den makroskopischen Wellenfunktionen an den zwei Übergängen, genau wie die Interferenz von zwei kohärenten Lichtstrahlen in einer optischen Anordnung zu hellen und dunklen Bereichen führt.
  • Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Gleichstrom- SQUID, der mit einem Strom I und einem Fluß Φ vorgespannt ist. Zu jedem der zwei Josephson-Tunnelübergänge (dargestellt durch die Kreuze) liegt die Eigenkapazität C und ein externer Widerstand R parallel. Die Induktivität der Schleife ist L. Die in Figur 2a dargestellten Strom-Spannungs-Kennlinien sind die eines SQUIDs mit den Flüssen nΦo und (n+½)Φo. Das Diagramm in Figur 2b zeigt die Spannung V über dem SQUID als Funktion des Flusses Φ/Φo bei der festgelegten Strom-Vorspannung, die durch die Strichlinie in Figur 2 gekennzeichnet ist.
  • Bei der konventionellen Arbeitsweise eines Gleichstrom-SQUID muß dessen Strom-Spannungs-Kennlinie hysteresefrei sein. Dies kann sichergestellt werden, indem ein externer Parallelwiderstand mit einem ausreichend kleinen Widerstandswert hinzugefügt wird. Wenn der Fluß durch das SQUID verändert wird, oszilliert die Strom- Spannungs-Kennlinie zwischen zwei Grenzwerten, die in Figur 2a gekennzeichnet sind. Somit zeigt die Spannung über dem SQUID wie in Figur 2b dargestellt eine periodische Abhängigkeit von dem angelegten Fluß, wenn das SQUID mit einem konstanten Strom vorgespannt wird. Das Bauelement wird normalerweise mit einer Flußvorlast von ungefähr (2n+1)Φo/4 betrieben, für welche die Abhän- gigkeit der Spannung zum angelegten Fluß weitgehend linear ist.
  • Somit ist das SQUID ein Fluß-Spannungs-Wandler, der eine Veränderung des magnetischen Flusses in eine Spannungsänderung umsetzt, die mit einer konventionellen Elektronik leicht zu detektieren ist. Weil jedoch häufig ein Dynamikbereich der Flußmessung erforderlich ist, der beträchtlich größer als ein Bruchteil eines Flußquantums ist, wird das SQUID normalerweise als Nulldetektor in einer Rückkopplungsschaltung betrieben. Bei dieser Arbeitsweise wird jede Spannungsänderung über dem SQUID, die durch einen angelegten Magnetfluß hervorgerufen wird, verstärkt und in einen Strom durch eine Spule gewandelt, die an das SQUID gekoppelt ist, um einen gleichen und entgegengesetzten Fluß zu erzeugen. Um Driften und niederfrequentes Rauschen in der Elektronik zu verhindern, wird das SQUID in einem Flußregelkreis betrieben, und man legt einen veränderlichen Fluß an das SQUID an und verstärkt die sich ergebende Spannung über dem Bauelement. Auf diese Art und Weise kann nicht nur eine Flußänderung detektiert werden, die viel kleiner ist als das Flußquantum Φo, sondern es kann auch ein angelegter Magnetfluß gemessen werden, der einem Vielfachen des Flußquantums entspricht. Der Frequenzgang eines flußgeregelten SQUIDs erstreckt sich typischerweise von Null bis zu mehreren Zehn Kilohertz.
  • Das Konzept der "Fluß-Rauschenergie" ist für die Betrachtung der Auflösung eines Gleichstrom-SQUIDs sinnvoll. Wenn die kleinste Flußänderung, die pro Bandbreiteneinheit bei der Frequenz f durch ein SQUID aufgelöst werden kann, δΦ(f) ist, kann eine Fluß-Rauschenergie pro Bandbreiteneinheit definiert werden, die durch ε(f) = (δΦ)²/2L gegeben ist, worin L die Induktivität des SQUID ist. Je kleiner der Wert der Fluß-Rauschenergie ε(f) ist, je besser ist die Auflösung. Das äquivalente Flußrauschen δΦ entspricht gerade dem Verhältnis des Spannungsrauschens δV über dern SQUID pro Bandbreiteneinheit zur Fluß-Spannungs-Übertragungsfunktion ∂V/∂Φ.
  • Um das Spannungsrauschen und die Übertragungsfunktion zu berechnen, wurden die SQUID-Gleichungen unter der Annahme gelöst, daß die einzigen Rauschquellen die zwei unabhängigen Nyquist- oder thermischen Rauschströme sind, die durch die Parallelwiderstände hervorgerufen werden. Aus dieser Analyse wurde geschlußfolgert, daß mit geeigneten Strom- und Fluß-Vorspannwerten das SQUID seine optimale Rauschenergie erreicht, wenn 2LIo Φo ist. Die optimale Rauschenergie ergibt sich dann zu
  • ε 10 kB T (LC)½.
  • Hierin sind kB die Boltzmann-Konstante, C die Kapazität eines der Tunnelübergänge und T die absolute Temperatur. Die Aussage dieser Gleichung ist offensichtlich: Je kleiner, um so besser. Somit wird, wenn man die Induktivität der SQUID-Schleife oder die Fläche und folglich die Kapazität der Übergänge verringern kann, die Rauschenergie entsprechend reduziert. Das Abkühlen des Bauelementes auf eine niedrigere Temperatur sollte eine weitere Verbesserung ergeben.
  • Die Vorhersage für die Rauschenergie motivierte eine Vielzahl von Gruppen unter Verwendung der Dünnschicht-Technologie eine große Palette von Bauelementen herzustellen, wobei der IBM eine Pionierrolle zukam. Mit Verfahren der Photolithographie oder der Elektronenstrahllitographie können Tunnelübergänge mit Flächen von vielleicht 5 Quadratmikrometer bis hinab zu 0,1 Quadratmikrometer oder sogar darunter hergestellt werden. Die oben stehende Gleichung beschreibt die Abhängigkeit der Rauschenergie von der Induktivität L und der Kapazität C ziemlich genau. In einem Zeitraum von wenigen Jahren wurde die optimale Rauschenergie um ungefähr vier Größenordnungen verringert.
  • Wie alle elektronischen Geräte zeigen SQUIDs ein "1/f-Rauschen", das heißt, eine Rauschen mit einer spektralen Verteilung der Leistungsdichte, die umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Der Ursprung dieses Rauschens, welches die Auflösung bei niedrigen Frequenzen begrenzt, wird erst seit kurzem besser verstanden. Der kritische Strom eines einzelnen Josephson-Tunnelübergangs zeigt ein 1/f-Rauschen, daß aus dem Abfangen und der Freigabe von Elektronen in der Isolationsschicht herrührt, jedoch ist dieser Effekt zu klein, als daß er für das 1/f-Rauschen verantwortlich gemacht werden kann, daß bei vielen SQUIDs beobachtet wird. Somit scheint es eine zusätzlichequelle für das 1/f- Rauschen zu geben, denkbar wäre die Bewegung des Magnetflusses, der durch das SQUID eingefangen wird. Moderne SQUIDs, die aus supraleitenden Materialien mit geringem Tc hergestellt wurden, haben ein sehr kleines 1/f-Rauschen gezeigt. Die 1/f-Rauschpegel von SQUIDs, die aus Materialien mit hohem Tc hergestellt wurden, sind beträchtlich höher. Die physikalischen Unterschiede zwischen diesen und anderen, viel stärker rauschenden Bauelementen werden noch immer untersucht.
  • Das Hochfrequenz-SQUID besteht aus einer supraleitenden Schleife, die durch einen einzelnen Josephson-Übergang unterbrochen ist. Die Schleife ist mit der Induktionsspule eines LC-Schwingkreises verkoppelt, welcher durch einen Hochfrequenzstrom mit ungefähr 30 MHz angeregt wird. Die Amplitude der Wechselspannung über dem Schwingkreis ändert sich periodisch mit dem Fluß durch das SQUID mit einer Periode von Φo, so daß das Hochfrequenz-SQUID mit einer geeigneten Elektronik als Flußregelkreis betrieben werden kann, und zwar in ziemlich dergleichen Weise wie das Gleichstrom-SQUID. Die Empfindlichkeit des Hochfrequenz-SQUID ist nicht annähernd so gut wie die des Gleichstrom-SQUID.
  • Wissenschaftler vieler Gebiete haben sowohl Hochfreqüenz- als auch Gleichstrom-SQUIDs in bemerkenswert vielen Fällen eingesetzt. Labormessungen, die mit SQUIDsausgeführt werden, umfassen die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilität sehr kleiner Proben innerhalb eines großen Temperaturbereiches, die Messung der Verschiebung des Quasipartikel-Ladungsgleichgewichtes in Supraleitern, die Detektion der magnetischen Kernresonanz und der Quadrupol-Resonanz sowie die Rausch-Thermometrie, was die Verwendung von Rauschmessungen zur Temperaturbestimmung beinhaltet.
  • Ein Gebiet wachsender Bedeutung ist der Biornagnetismus. Forscher haben SQUIDs eingesetzt, um die magnetischen Felder zu studieren, die vom Herzen und vom Gehirn erzeugt werden, um Augenbewegungen und sogar magnetische Impulse, die von isolierten Froschnerven erzeugt werden, zu detektieren, um nur einige wenige Beispiele darzustellen. Ein weiteres wichtiges Gebiet ist die Geophysik, die Magnetotellurik, der Bergmagnetismus und der Paleomagnetismus. SQUIDs werden auch in relativ großräumigen Experimenten eingesetzt, einschließlich bei Antennen für Schwerkraftwellen, magnetischen Monopol-Detektoren sowie bei einem Umlaufbahn-Kreiseltest der allgemeinen Relativitätstheorie.
  • Bei vielen der oben erwähnten Experimente ist oder wäre ein übermäßiges Rauschen, insbesondere das mit niederfrequenten Rauschquellen in SQUIDs, die aus Materialien mit hohem Tc hergestellt wurden, verbundene Rauschen ein signifikantes Problem.
  • Zum Beispiel sind biomagnetische Signale extrem klein und erstrecken sich von ungefähr 1 Picotesla, bei Signalen vom Herzen, bis hinab zu 100 Femtotesla, bei Signalen vom Gehirn. Heutige SQUIDs, die aus konventionellen supraleitenden Materialien hergestellt werden, besitzen einen Rauschpegel, der wesentlich niedriger liegt als diese Werte. Die Rauschpegel von SQUIDs aus Materialien mit hohem Tc übersteigen die Pegel biomagnetischer Signale bei den interessierenden Frequenzen (1Hz bis 1kHz).
  • Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines SQUID-Mischers mit drei Übergängen gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung. Darauf bezügnehmend enthält ein konventionelles Gleichstrom- SQUID einen ersten und einen zweiten Josephson-Übergang 10, 12 mit einer ersten und einer zweiten Eingangsspule L1, L2. Gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein dritter Josephson-Übergang 14 zu einer der Eingangsspulen L1 oder L2 parallelgeschaltet, um einen SQUID-Mischer mit drei Übergängen zu bilden. Es soll hervorgehoben werden, daß auch wenn die Elemente 10, 12 und 14 als Josephson-Übergänge dargestellt sind, andere nichtlineare Elemente, wie beispielsweise schwache Flußverkettungen anstelle der Josephson-Übergänge verwendet werden können, vorausgesetzt, sie haben eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie, die der eines Josephson-Übergangs gleicht. Der Nebenübergang, der durch das dritte SQUID 14 gebildet wird, kann hysteresebehaftet oder hysteresefrei (mit Parallelschaltung eines kleinen externen Widerstandes) sein, und hat einen hindurchfließenden Strom K.
  • Im Betrieb werden die Magnetflußsignale Φ&sub1; und Φ&sub2; in die Induktivitäten L1 beziehungsweise L2 eingekoppelt. Das Ausgangssignal (die Spannung V) wird durch die angelegten Flüsse Φ&sub1;, Φ&sub2;, den Vorspann-Strom I und die SQUID-Parameter bestimmt. Die Arbeitsweise des SQUID mit drei Übergängen kann durch die folgende allgemeine Erklärung verstanden werden. In dem SQUID mit drei Übergängen wird die Netto-SQUID-Induktivität in der Schleife, die die Übergänge 10 und 12 enthält von der Summe der beiden Induktivitäten L&sub1; + L&sub2; auf ungefähr L&sub2; reduziert, wenn der Nebenübergang 14 von einem Normalzustands-Widerstand in den supraleitenden Zustand geschaltet wird. Die Veränderung der Induktivität spiegelt sich in einer Veränderung der Vorwärts-Übertragungsfunktion dV/dΦ wider. Somit hängt das Ausgangssignal, das durch Φ&sub1; und Φ&sub2; erzeugt wird, davon ab, ob die Signalflüsse den Übergang 14 schalten oder nicht. Wenn dieser Übergang eine starke Hysterese aufweist, hat das Bauelement einen Schwellwert. Wenn der Nebenübergang 14 hysteresefrei ist, erfolgt ein mehr konventionelles Mischen der zwei Flußsignale.
  • Im Betrieb der Schaltung von Figur 4 wird, wenn ein Mischstrom Ic durch eine Spule geschickt wird, die induktiv mit den Eingangsspulen L1a und L1b gekoppelt ist, in der oberen Schleife des SQUID ein Fluß ΦM erzeugt, und wenn ein Signalstrom Id durch eine Spule geschickt wird, die induktiv mit den Eingangsspulen L2a und L2b gekoppelt ist, wird ein Fluß ΦS in der unteren Schleife des SQUID erzeugt.
  • Die Arbeitsweise der schaltungen der Figuren 3 und 4 hängt von den Flüssen (Φ&sub1;, Φ&sub2;) und (ΦM und ΦS) ab, die in separate Spulen oder Induktivitäten eingekoppelt werden und nicht in eine einzelne Spule oder Induktivität, wie dies in dem in Figur 1 dargestellten SQUID erfolgen würde. Als ein Ergebnis dessen ist die Ausgangsspannung V(ΦM, ΦS) eines SQUID mit drei Übergängen nicht gleich der Ausgangsspannung Vo(ΦM + ΦS) eines konventionellen Gleichstrom-SQUID.
  • Bei einem konventionellen Gleichstrom-SQUID erhält man, wenn man Vo(ΦM + ΦS) in eine Taylorreihe entwickelt
  • Worin ΦT = (ΦM + ΦS) ist.
  • Das konventionelle SQUID wird so vorgespannt, daß ∂Vo/∂ΦT maximal und ∂²Vo/∂ΦT² Null werden.
  • Der Term (ΔΦM + ΔΦS)² sowie die Terme höherer Ordnung sind vernachlässigbar und tragen folglich nur minimal zu der durch das Mischen der Eingangssignale erzeugten Spannung bei.
  • Wenn man für V(ΦM, ΦS) eines SQUID mit drei Übergängen eine Taylorentwicklung durchführt, erhält man
  • In der oben stehenden Gleichung ist der Term
  • der interessierende Mischungsterm, und der Vorspann-Arbeitspunkt und die SQUID-Pararneter werden so ausgewählt, daß der Mischungsterm maximal wird.
  • Das Niederfrequenzrauschen mit einer spektralen Leistungsdichte von 1/f ist eine der Funktion eines SQUID innewohnende Eigenschaft und besitzt eine Kennlinie, wie sie in Figur 5 gezeigt wird, welches eine Darstellung der Fluß-Rauschenergie ε als Funktion der Frequenz f ist und verdeutlicht, wie der Mischer der vorliegenden Erfindung die Probleme löst, die mit der spektralen Verteilung des Rauschens verbunden sind.
  • In einem konventionellen SQUID mit Niederfrequenzrauschen wird die Antwortfunktion durch den linearen Term der Reihenentwicklung dominiert. Folglich können zufällige Frequenzverschiebungen der Ausgangsspannung nicht umgangen werden.
  • Dieser widrige Umstand kann durch die vorliegende Erfindung eliminiert werden.
  • Wir beziehen uns auf Figur 5, die niedrige Frequenz des Signalflusses ΦS mit der Frequenz fS liegt innerhalb des Kurvenabschnitts, der ein signifikantes Rausch-Ausgangssignal ε(f) erzeugt, wogegen die Frequenz des Mischflusses ΦM so gewählt wird, daß die Mischungsterme (fM ± fS) auf ausreichend hohen Frequenzen außerhalb des Bereiches des niederfrequenten Rauschens liegen.
  • Figur 4 zeigt eine zweite umfangreichere Ausführungsform eines SQUID-Mischers mit drei Übergängen gemäß der vorliegenden Erfindung und verdeutlicht, daß über externe Vorspannleitungen drei Signale Ic, Id, Ie in das Bauelernent eingegeben werden können. Die Parameter Ic, Id, Ie repräsentieren drei Signalströme. Die Ausführungsform von Figur 4 ist umfassender, indem die mit jedem Josephson-Übergang verbundene Kapazität zusammen mit einem Parallelwiderstand für jeden Übergang direkt darstellt und ebenfalls die Spulen für die induktive Kopplung jeder Eingangsspule L1a, L1b und L2a, L2b sowie eine dritte Eingangsspule L&sub3;, die mit dern Josephson-Übergang 14 verbunden ist und eine dafür vorhandenen Koppelspule dargestellt werden.
  • Es sind ebenfalls Ausführungsformen möglich, in denen die Koppelspulen für jede der Eingangs-Induktionsspulen L eliminiert werden und Φ ein externer Fluß ist, der direkt in die SQUID- Schleife eingekoppelt wird.
  • Figur 6 zeigt eine Kurvenschar der mittleren Spannung als Funktion der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte von ΦM, welche für die Erklärung der Arbeitsweise eines SQUID-Mischers mit drei Übergängen gemäß der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist. Die Kurvenschar zeigt für verschiedene Werte von ΦM eine Formänderung, was die nichtlineare Abhängigkeit von sowohl ΦS als auch von ΦM verdeutlicht.
  • Figur 7 zeigt eine Kurvenschar der mittleren Spannung als Funktion der Summe der Flüsse ΦS und ΦM für verschiedene Werte von ΦM, welche für die Erklärung der Arbeitsweise eines konventionellen SQUID von Nutzen ist. Die mittlere Spannung für je den möglichen Wert ΦM ist zwecks einer klareren Darstellung nach oben verschoben. Die Kennlinien haben eine identische Form, was die Abhängigkeit der Spannung von der Summe ΦM + ΦS verdeutlicht.
  • Figur 8 zeigt ein konventionelles SQUID, das in einem Phasenregelkreis betrieben wird und ebenfalls den Signalverlauf der Ausgangsspannung. Im Betrieb innerhalb eines Phasenregelkreises wird ein ΔΦs-Signal als ein Eingangssignal empfangen und typischerweise mit 100 khz moduliert. Figur 8 zeigt das Ausgangssignal, das zwischen einem HIGH-Wert V&sub0; + AV&sub0; und einem LOW-Wert Vo - AVo oszilliert, wobei
  • Der SQUID-Mischer mit drei Übergängen kann in gleicher Weise ebenfalls innerhalb eines Phasenregelkreises mit einer Modulationsfrequenz größer fM + fS betrieben werden.
  • Mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung umfassen die Aufwärtswandlung von sehr niederfrequenten Signalen über den Bereich des intrinsischen 1/f-Rauschens und die Abwärtswandlung von hochfrequenten Signalen unter die Modulationsfrequenz von Phasenregelkreisen, die normalerweise in Gleichstrom-SQUID-Ausleseschaltungen verwendet werden.
  • Wenn auch verschiedene Ausführungsformen und Abwandlungen eines SQUID-Mischers mit drei Übergängen hierin detailliert beschrieben worden sind, sollte es ersichtlich sein, daß die Offenbarung und die Lehren der vorliegenden Erfindung dem Fachmann eine Vielzahl alternativer Entwürfe nahelegen.

Claims (4)

1. Mischer mit supraleitendem Quanteninterferometer mit drei Übergängen umfassend:
a) eine supraleitende Gleichstrom-Quanteninterferometerschaltung, umfassend eine Reihenschaltung eines Paares erster und zweiter nichtlinearer Elemente (10, 12), deren Strom-Spannungs-Kennlinien der eines Josephson- Übergangs gleichen, und erste und zweite separate Eingangsspulen (L&sub1;, L&sub2;) für die supraleitende Gleichstrom- Quanteninterferometerschaltung,
wobei die ersten und zweiten separaten Eingangsspulen (L&sub1;, L&sub2;) einander gegenüberstehen; und
b) ein drittes nichtlineares Element (14), das eine Strom-Spannungs-Kennlinie wie ein Josephson-Übergang besitzt, parallelgeschaltet zu einer der Eingangsspulen, dabei einen zusätzlichen oder dritten Nebenübergang bildend, durch den ein Strom fließt, um eine Schaltung bereitzustellen, die als Mischer zum Mischen von zwei Magnetfluß-Eingangssignalen benutzt werden kann, welche in die ersten und zweiten separaten Eingangsspulen (L&sub1;, L&sub2;) eingekoppelt werden, um ein überlagerndes Mischen hin zu höheren und niederen Frequenzen zu ermöglichen.
2. Supraleitendes Quanteninterferometer mit drei Übergängen gemäß Anspruch 1, wobei jedes der nichtlinearen Elemente einen Josephson-Übergang enthält.
3. Supraleitendes Quanteninterferometer mit drei Übergängen gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das dritte nichtlineare Ele- ment eine dritte Eingangsspule (L&sub3;) in Reihe geschaltet hat.
4. Supraleitendes Quanteninterferometer mit drei Übergängen gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei jede der Eingangsspulen eine induktiv gekoppelte Induktionsspule zum Einkoppeln eines Magnetflusses aufweist.
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