ES2305780T3

ES2305780T3 - Antena cuantica superconductora.

Info

Publication number: ES2305780T3
Application number: ES04738661T
Authority: ES
Inventors: Jorg Oppenlander; Christoph Haussler; Nils Schopohl; Alexander Friesch; Jorg Tomes
Original assignee: QEST Quantenelektronische Systeme GmbH
Current assignee: QEST Quantenelektronische Systeme GmbH
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2008-11-01
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: US20060145694A1; EP1634351A1; DE102004028432A1; ATE393970T1; DK1634351T3; PT1634351E; WO2004114463A1; US7369093B2; DE502004007007D1; EP1634351B1; CA2527911C; JP2006527548A; JP4303286B2; CA2527911A1

Abstract

Antena (60) para ondas electromagnéticas de alta frecuencia, que consisten en un circuito eléctrico conductora normal y/o superconductor a de, al menos, un transistor idóneo para bajas temperaturas (52) y estructuras primarias de antenas, medios (61) para la alimentación del circuito con energía eléctrica, medios para la alimentación del circuito con una corriente de control y/o una tensión de control, medios para la derivación de una onda electromagnética del circuito, caracterizada por un refrigerador activo, que, puede extraer calor, al menos, de una parte del circuito durante el funcionamiento, y un frasco de vacío (57), que contiene, al menos, una parte del circuito y de la estructura primaria de antenas y con el cual esta parte puede ser aislada térmicamente del entorno, asimismo, el transistor actúa como componente activo, el frasco de vacío contiene al dedo de refrigeración (58) del refrigerador activo, el dedo de refrigeración está acoplado térmicamente a, al menos, a una terminación de conductor hueco conductora normal y/o superconductora de la estructura primaria de antenas, el componente activo está acoplado térmicamente al dedo de refrigeración, el componente activo está acoplado electromagnéticamente a la terminación del conductor hueco, el frasco de vacío presenta una ventana permeable (59) para ondas electromagnéticas y está configurada geométricamente de modo tal que puede suministrarse una onda electromagnética a la terminación del conductor hueco, y el refrigerador activo está concebido para refrigerar, al menos, una parte del circuito hasta alcanzar una temperatura comparativamente baja de, por ejemplo, 150 Kelvin.

Description

Antena cuántica superconductora.

La presente invención comprende una antena activa ultra sensible para ondas electromagnéticas, acorde al término genérico de la reivindicación 1.

Estado de la técnica

El modo de funcionamiento de antenas de recepción eléctricas convencionales se basa, esencialmente, en que una onda electromagnética incidente induce una caída de tensión a través de la antena, la cual es la señal de entrada para la electrónica de recepción. Sin embargo, en general, la caída de tensión inducida es tan pequeña que ésta primero se debe amplificar mediante efectos de resonancia. Para ello, o bien la antena convencional misma se configura de modo tal que se produzca una resonancia geométrica en la frecuencia de recepción, o la antena es provista de una red eléctrica de adaptación, de modo que la antena y la red de adaptación conforman un circuito de sintonización de resonancia.

A través de la amplificación de la resonancia para lograr una sensibilidad suficiente, el ancho de banda de frecuencia dentro de la cual es posible su recepción es muy reducida en el caso de las antenas convencionales. Habitualmente, el ancho de banda es menor al 20% de la frecuencia de resonancia. Un mayor ancho de banda se puede lograr con las denominadas antenas helicoidal logarítmica "independiente de frecuencia". Sin embargo, la dimensión de la antena, también en este caso, debe hallarse en el área de la longitud de onda de la onda electromagnética por ser recibida, y la sensibilidad de dichas antenas es, generalmente, baja.

Aunque las antenas de cuadro magnéticas en principio pueden ser configuradas con un mayor ancho de banda, como antenas eléctricas, en el caso de mayores frecuencias no pueden utilizarse, debido a la aparición de efectos inductivos, y a causa del efecto skin o piel. Además, en el caso de funcionamiento convencional, es difícil adaptar la impedancia de las antenas de cuadros magnéticas a la impedancia de conexiones electrónicas convencionales, por lo cual se reduce notablemente la eficiencia de las antenas.

Otro problema surge en el caso de sistemas de antenas convencionales, cuando deben recibir ondas electromagnéticas de intensidades de señal muy pequeñas. La sensibilidad de entrada de sistemas de antenas convencionales está limitada, en principio, por el ruido del amplificador previo que está conectado tras la antena. La señal de entrada que proviene de la antena debe hallarse por encima de la onda de ruido del amplificador previo, para que pueda ser amplificado de manera adecuada. Para la recepción de señales muy pequeñas es necesario, en el caso de sistemas de recepción convencionales, que la antena extraiga energía suficiente del campo electromagnético. Esto sólo puede lograrse, en el caso de intensidades de señal muy pequeñas, utilizando antenas muy grandes, reflectores paraboloidales o extensiones de instalaciones de campos completos de antenas. En todo caso se incrementa notablemente la dimensión espacial de la antena. Una aplicación habitual con intensidades de señal pequeñas es, por ejemplo, la recepción de señales de satélite. Aquí la dimensión de la antena se encuentra habitualmente en el área de un metro.

Sobre todo para la aplicación móvil, por ejemplo, en vehículos, buques o aviones, no son adecuadas, o sólo son adecuadas parcialmente, las antenas parabólicas o extensiones de campos de antenas, a causa de sus grandes dimensiones.

Dado que los sistemas de antenas convencionales deben extraer energía del campo electromagnético para procesar la información contenida en el campo, en el caso de una potencia de emisión dada, además, está limitado, en principio, el alcance de las antenas de emisión por la cantidad de receptores.

Se conoce, por la memoria de presentación japonesa JP 2003023362 A, un circuito activo para un sistema de antenas, idóneo para bajas temperaturas. En la memoria de la patente internacional PCT/DE 00/03034 se publica un dispositivo para la medición de alta resolución de campos magnéticos que comprende un filtro superconductor de interferencia cuántica. El filtro superconductor de interferencia cuántica presenta una red de pasos entre superconductores que presentan efectos Josephson.

La invención se origina con el fin de superar el problema que presentan la limitación de las antenas de recepción convencionales en lo que respecta a su sensibilidad y sus medidas.

Este problema se resuelve con las características presentadas en la reivindicación 1.

La presente invención parte de una antena para ondas electromagnéticas de alta frecuencia, que presenta un circuito eléctrico conductor normal y/o superconductor de, al menos, un transistor idóneo para bajas temperaturas y estructuras primarias de antenas. Además, para la alimentación del circuito con energía eléctrica, están previstos medios para la alimentación del circuito con una corriente de control y/o una tensión de control, y medios para la derivación de una onda electromagnética del circuito. El núcleo de la invención es la previsión de un refrigerador activo que, durante el funcionamiento, puede extraer calor a, al menos, una parte del circuito. asimismo, está previsto un frasco de vacío que contiene, al menos, una parte del circuito y de la estructura primaria de antenas y con el cual esta parte puede ser aislada térmicamente del entorno, asimismo, el transistor actúa como componente activo, el frasco de vacío contiene al dedo de refrigeración del refrigerador activo, el dedo de refrigeración está acoplado térmicamente a, al menos, a una terminación de conductor hueco conductora normal y/o superconductora de la estructura primaria de antenas, el componente activo está acoplado térmicamente al dedo de refrigeración, el componente activo está acoplado electromagnéticamente a la terminación del conductor hueco, el frasco de vacío presenta una ventana permeable para ondas electromagnéticas y configurada geométricamente de modo tal que puede suministrarse una onda electromagnética a la terminación del conductor hueco, y el refrigerador activo está concebido para refrigerar, al menos, una parte del circuito hasta alcanzar una temperatura comparativamente baja de, por ejemplo, 150 Kelvin.

Las ventajas obtenidas con la invención consisten en que, a causa de su principio de funcionamiento utilizando la antena, al campo electromagnético no se le extrae energía o se le extrae muy poca energía y, de este modo, se posibilita la recepción de señales muy pequeñas en el caso de una medida muy pequeña de la antena misma. Para lograr la sensibilidad de una antena parabólica de aproximadamente 60 cm. de diámetro, habitualmente sería suficiente una antena acorde a la presente invención, de aproximadamente, 1 cm. x 1 cm. Además, la antena puede estar concebida de modo tal que su ancho de banda sólo se limite por la frecuencia límite del filtro superconductor de interferencia cuántica utilizado. Esta frecuencia límite se encuentra, habitualmente, en el área de los 20 GHz a 100 GHz, de modo que se pueden alcanzar los correspondientes anchos de banda.

Preferentemente, la antena comprende un filtro superconductor de interferencia cuántica, asimismo, el filtro superconductor de interferencia cuántica y el transistor actúan como componentes activos, los componentes activos están acoplados térmicamente al dedo de refrigeración y, al menos, un componente activo está acoplado electromagnéticamente a la terminación del conductor hueco.

Un filtro superconductor de interferencia cuántica presenta las siguientes características básicas:

Células cerradas superconductoras que conforman un bucle de corriente, que contienen, cada una, múltiples, preferentemente dos, contactos de Josephson,

Al menos tres de estas células están en unión superconductora o no superconductora.

Los contactos de, al menos, tres de estas células pueden ser alimentadas con corriente de modo tal que en, respectivamente, al menos dos contactos de una célula, cae una tensión modificable temporalmente, cuyo elemento temporal no desaparece.

Las, al menos, tres células están configuradas geométricamente diferentes, de modo tal que en el caso de la presencia de un campo magnético, los flujos magnéticos incluidos en las células se diferencian de tal modo que el espectro de frecuencia de la función de respuesta a la tensión no presenta una parte periódica de \varphi_{0} respecto del flujo magnético, o que, en caso de que exista un espectro de frecuencia discreto, el aporte de la parte periódica de \varphi_{0} del espectro de frecuencia discreto no sea dominante en comparación con las partes no periódicas del \varphi_{0} del espectro de frecuencia discreto.

En la memoria de presentación alemana DE 100 43 657 A1 no sólo está descrita la forma base de un filtro superconductor de interferencia cuántica descrito, también denominado, en adelante, SQIF, sino también múltiples perfeccionamientos correspondientes a las siguientes ejecuciones A1) a A12).

A1) Teniendo en cuenta la periodicidad de la función de respuesta a la tensión, para el SQIF también se puede seleccionar el siguiente suplemento funcional: Que las, al menos, tres células estén configuradas geométricamente diferentes, que los flujos magnéticos comprendidos por las células en el campo magnético presente, estén en tal relación entre sí que el periodo de la función de respuesta a la tensión de la red sea mayor o mucho mayor que el valor de un cuanto de flujo elemental, en relación al flujo magnético que atraviesa la totalidad de las células de red, es decir, que la respuesta a la tensión ya no presente una parte periódica de \varphi_{0}. En el caso ideal, la función de respuesta a la tensión ya no presenta un periodo, si los flujos magnéticos comprendidos por las células no se hallan en una relación racional entre sí. Preferentemente, las diferencias de superficie de las células individuales son, además, de un tamaño comparativamente semejante. Especialmente en este caso, se superponen las células unidas actuando como superconductoras, de tal modo que la función de respuesta a la tensión no presenta ya un periodo.

De este modo se conectan adecuadamente las diferentes células entre sí, lo que el especialista siempre quiere evitar en el caso de las disposiciones convencionales de SQUIDs. Esto se expresa, por ejemplo, en la publicación de HANSEN, BINSLEV J., LINDELOF P.E: Static and dynamic interactions between Josephson junctions (Interacciones estáticas y dinámicas entre uniones de Josephson). En: Reviews of Modern Physics, Vol. 56, número 3, julio de 1984, pág. 431-459. En esta publicación, en la página 434, en el último párrafo de la columna de la izquierda, continuando en la columna de la derecha, indica la preferencia por un sistema con células idénticas y contactos idénticos y por el contrario, se clasifica a las asimetrías como contraproducentes para la función del SQUID descrito a este fin.

Los filtros superconductores de interferencia cuántica presentan el efecto físico de la interferencia cuántica múltiple macroscópica de un modo tal que se elimina la ambigüedad de la curva de calibración de magnetómetros y gradiómetros SQUID convencionales.

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En un filtro superconductor de interferencia cuántica interfieren las funciones de onda de mecánica cuántica, que describen el estado del cuerpo sólido superconductor, de tal modo que se origina una curva de calibración macroscópica unívoca \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle. La curva de calibración \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle del filtro superconductor de interferencia cuántica no presenta, en el caso ideal, una periodicidad con el periodo \varphi_{0} y es una función de incremento monótono del valor del campo magnético exterior en el lugar del SQIF en un área de medición especial.

La univocidad de la curva de calibración y la elevada sensibilidad de los filtros superconductores de interferencia cuántica posibilitan la medición directa de los campos electromagnéticos modificables temporalmente en un área de frecuencia continua, cuyo límite inferior es v_{ext} \approx0 y cuyo límite superior es, según el tipo de contactos de Josephson, o weak links, utilizados en el momento, de varios cientos de GHz hasta THz. Toda el área de frecuencia es accesible mediante un sólo filtro superconductor de interferencia cuántica, configurado correspondientemente. En el caso de la detección de ondas electromagnéticas, el filtro superconductor de interferencia cuántica opera como antena de recepción, filtro y potente amplificador. El ruido propio de los filtros de interferencia cuántica adecuadamente configurados puede ser, a su vez, varias veces menor a la magnitud del ruido propio de magnetómetros SQUID convencionales. Otra ventaja respecto de las antenas y filtros convencionales es, entre otros, que condicionados por el principio de medición, el área de frecuencia no depende de la dimensión espacial del filtro superconductor de interferencia cuántica. La dimensión espacial puede influir solamente la sensibilidad.

La fabricación de filtros superconductores de interferencia cuántica puede llevarse a cabo acorde a procedimientos técnicos conocidos, como se utilizan, por ejemplo, en la producción actual de SQUIDs convencionales. Dado que no es necesario diferenciar esencialmente la dimensión espacial de filtros superconductores de interferencia cuántica de la dimensión espacial de sistemas de SQUID convencionales, se pueden aplicar directamente las criotecnologías desarrolladas para los sistemas de SQUID. No se precisan desarrollos especiales en el área de la criotecnología.

A2) En un sistema conformado por células descritas anteriormente, están previstos, preferentemente, al menos, para una célula y más adecuadamente, para la mayor parte de las células, exactamente dos contactos por célula, unidos de modo superconductor y conectados eléctricamente en paralelo. Gracias a exactamente dos contactos se pueden lograr los efectos descritos de modo comparativamente simple y bueno.

A3) Los efectos deseados también se puede lograr favorablemente, si en una célula se prevén más de dos contactos, unidos de modo superconductor y conectados eléctricamente en paralelo, a saber, en forma de un circuito en serie de contactos, conectado en paralelo con un solo contacto individual, o en forma de dos circuitos en serie de contactos, conectadas en paralelo.

A4) Pero los efectos acordes a la invención también se pueden lograr mediante estructuras de, al menos, una célula de una red, en las cuales, además de una forma base de, al menos, dos contactos, en los cuales cae una tensión modificable temporalmente que no desaparece en medios temporales, especialmente, además de una forma base de dos contactos conectados eléctricamente en paralelo, está previsto otro contacto o múltiples otros contactos, que no son alimentados directamente con corriente, y por ello, en estos contactos, en la media, no cae la tensión. Las uniones de todos los contactos en las células individuales son, a su vez, superconductoras. Este tipo de modos de ejecución pueden ser ventajosos, dado que, gracias a contactos adicionales, se pueden reducir las corrientes de apantallamiento inducidas por un campo magnético en cada una de las células individuales. De este modo puede reducirse la influencia de las inductividades propias y contrarias.

A5) En un modo de ejecución especialmente preferido, múltiples células conforman una red o un segmento de red, en el cual todos los contactos están conectados eléctricamente en paralelo, de modo que puede suministrarse corriente rectificada a los contactos. Sobre todo cuando en este contexto las células se encuentran en unión superconductora entre sí, se pueden lograr, con este tipo de disposición, una sensibilidad especialmente grande para la medición de un campo magnético.

A6) Sin embargo, múltiples células o segmentos de red también se pueden conectar ventajosamente en serie, de modo que, a su vez, se pueda suministrar corriente a los contactos en la red en la misma dirección. Gracias a esta medida se puede incrementar el tamaño de la señal de medición, dado que se suman las tensiones en los contactos en el circuito en serie.

A7) Una sensibilidad especialmente alta también se puede lograr gracias al circuito en paralelo de disposiciones en serie de múltiples células o segmentos de red. Preferentemente, en este modo de ejecución, los segmentos de red o las células están conectados de modo superconductor, especialmente, a través de un cable de pares trenzados superconductor. La capacidad de resolución de filtros superconductores de interferencia cuántica puede, a su vez, ingresar al área de aT (10^{-18} Tesla) y por debajo. La curva de calibración también permanece unívoca para esas áreas de medición, de modo que se hacen posibles las mediciones cuantitativas absolutas de pequeños campos externos.

A8) La red puede ser utilizada mediante accionamiento por tensión o mediante accionamiento por corriente.

A9) Para lograr un efecto de Josephson, en lo posible, ideal, se propone, a su vez, que los contactos sean ejecutados como contactos de punta.

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A10) Para incrementar la sensibilidad de un SQIF, se puede ejecutar, además, la geometría de la disposición de las células de tal modo que en una diafonía magnética de una célula sobre otra células adyacente se reduzca a causa de un campo magnético autoconsistente generado por la corriente que fluye a través de las células.

A11) En otro acondicionamiento preferido, las células de red y/o de los segmentos de red están orientadas espacialmente, sobre todo, espacialmente en dos o tres dimensiones. A través de esta medida, se hace posible determinar, adicionalmente al valor del campo magnético, componentes individuales del campo magnético. En el caso de una disposición espacial tridimensional se puede medir entonces la dirección del campo magnético.

A12) Se prefiere, además, si la corriente que acciona los contactos se suministra y/o se evacua a través de resistencias óhmicas, ejecutadas, sobre todo, como resistencias busbar. Ya que las mediciones han demostrado que el suministro de la corriente de accionamiento a través de resistencias óhmicas puede mejorar notablemente el desempeño del SQIF.

Para otros acondicionamientos de SQIFs se hace referencia a las figuras 9a a 20 y sus correspondientes partes descriptivas, a continuación de la descripción de las figuras 1 a 8.

Si se fabrica un filtro superconductor de interferencia cuántica según la tecnología de superconducción a alta temperatura, se pueden utilizar, sin problemas, refrigeradores en miniatura para una facilitación duradera y confiable de la temperatura de trabajo. Estos refrigeradores en miniatura presenten, habitualmente, medidas en el área de los 10 cm. y requieren una potencia menor a 20 W, de modo que se puedan realizar sistemas de antenas compactos que también posibilitan la utilización móvil de la antena en las aplicaciones más variadas.

Para incrementar la sensibilidad, la antena utiliza el fenómeno físico de la interferencia cuántica múltiple macroscópica. Este fenómeno se presenta en circuitos superconductores que poseen una geometría especial. En el caso de un filtro superconductor de interferencia cuántica se lo utiliza para obtener un amplificador de banda ancha de alta potencia y bajo ruido. En el caso más simple, este amplificador es acoplado de modo inductivo a una estructura primaria pasiva de antenas. En el caso de la incidencia de una onda electromagnética, ingresa una corriente de antena en esta estructura primaria de antenas. Esta corriente de antenas genera un campo magnético, que atraviesa luego el filtro superconductor de interferencia cuántica. Si al filtro superconductor de interferencia cuántica se le suministra adecuadamente corriente eléctrica y es accionado en un punto de trabajo adecuado, entonces, en el filtro superconductor de interferencia cuántica, cae una tensión que depende de la intensidad del campo magnético y por ello, de la intensidad de la corriente de la antena. Dado que la excitación del filtro superconductor de interferencia cuántica se provoca a través de las condiciones forzosas de mecánica cuántica, de la denominada cuantificación de flujo, en este proceso no se transmite, o se transmite una cantidad muy reducida de energía de la estructura primaria de antenas al filtro superconductor de interferencia cuántica. La potencia necesaria para generar la caída de tensión a través del filtro superconductor de interferencia cuántica se extrae de la fuente de corriente que alimenta con corriente de trabajo al filtro superconductor de interferencia cuántica. En oposición a las antenas convencionales, no es necesario extraer energía de la antena y, con ello, tampoco de la onda incidente, para estimular al filtro superconductor de interferencia cuántica. Para la excitación son suficientes las corrientes reactivas puras. Durante la transmisión de la información contenida en la onda electromagnética al filtro superconductor de interferencia cuántica, no se carga la antena primaria. Dado que no fluye energía de la antena primaria al filtro superconductor de interferencia cuántica, no se requiere una adaptación de impedancia. En el caso de la aplicación de las estructuras primarias de antenas correspondientes, posibilita la realización de antenas de recepción de banda extremadamente ancha de gran sensibilidad.

La estructura primaria de antenas puede, a su vez, consistir en segmentos superconductores o en segmentos conductores normales. También es posible una combinación de ambos. Los segmentos superconductores presentan la ventaja de que fluye una corriente de antena muy elevada, pero en el caso de la resonancia, la resonancia es, en general, de banda muy estrecha. En segmentos conductores normales fluye habitualmente una corriente de antena menor, pero las resonancias presentan una banda más ancha. Según la aplicación y la sensibilidad requerida se puede concebir, para cada caso, una estructura primaria de antenas óptima.

Para lograr una elevada sensibilidad de la antena, la estructura primaria de antenas debe estar acoplada lo suficientemente fuerte al filtro superconductor de interferencia cuántica. En el caso más simple, con una estructura de una sola capa, se puede lograr esto conduciendo la parte de la antena primaria que se debe acoplar al filtro superconductor de interferencia cuántica lo más cerca posible de los bucles del filtro superconductor de interferencia cuántica y presentando este segmento un corte transversal del conductor lo más reducido posible. El campo magnético generado por la corriente de de antenas presenta entonces un valor máximo en el punto del bucle. En general, el acople es especialmente ventajoso siempre que la distribución de densidad de corriente de las corrientes primarias de antenas sea muy grande o se halle en su nivel máximo en donde se encuentran, en lo posible, muchos bucles del filtro superconductor de interferencia cuántica, o en su cercanía. Está prevista una estructura de desacople para desviar o conducir la oscilación de tensión (señal de salida de la antena) que cae en un filtro superconductor de interferencia cuántica, hasta un consumidor (receptor), en el caso de la presencia de una corriente de antena modificable temporalmente. Mediante esta estructura de desacople, la oscilación de tensión se convierte en una onda electromagnética y es conducida al consumidor con un guíaondas adecuado, de modo que las pérdidas parásitas puedan mantenerse, en lo posible, pequeñas.

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Los filtros superconductores de interferencia cuántica son especialmente adecuados como estructuras secundarias de antenas o amplificador previo integrado, a causa de su robustez intrínseca y su tolerancia a errores. Ofrecen una serie de ventajas esenciales respecto de los conversores de tensión de campo magnético convencionales. A diferencia de los SQUIDs, o de los conjuntos de antenas de SQUIDs, los filtros superconductores de interferencia cuántica poseen, sobre todo, una curva característica unívoca. Mientras que en el caso de los SQUIDs o los conjuntos de antenas de SQUIDs se deben tomar precauciones para apantallar campos magnéticos parásitos, a causa de la periodicidad de la curva característica, en principio esto no es necesario en el caso de los filtros superconductores de interferencia cuántica. También se puede adaptar libremente, en principio, el factor de transferencia entre el campo magnético y la tensión que cae, acorde a la tarea que debe realizar el amplificador. A causa de la robustez de los filtros superconductores de interferencia cuántica, el campo magnético acoplado por las estructuras primarias de antenas en el filtro superconductor de interferencia cuántica, no debe cumplir con ningún requisito de homogeneidad. El filtro superconductor de interferencia cuántica también puede ser excitado sin perder potencia a través de campos magnéticos muy inhomogéneos. Además, debido a su elevada tolerancia intrínseca respecto de las imperfecciones de parámetros, los filtros superconductores de interferencia cuántica se pueden fabricar de modo mucho más fácil que, por ejemplo, los conjuntos de antenas de SQUIDs. La tolerancia a errores intrínseca también tiene como consecuencia que se pueden utilizar materiales superconductores muy diferentes.

Un acondicionamiento ventajoso de la invención prevé que la antena contenga medios adicionales para la excitación de un punto de trabajo adecuado sobre la curva característica del filtro superconductor de interferencia cuántica (por ejemplo, líneas de mando suministrables con corriente, bobinas del campo magnético). Esto posibilita el accionamiento del filtro superconductor de interferencia cuántica en un área de la curva característica en la cual el filtro amplifica de modo óptimo la señal. Además, se puede excitar un área de elevada linealidad de la curva característica, para minimizar productos de intermodulación indeseados. En dicho punto de trabajo la frecuencia de la tensión que cae en el filtro superconductor de interferencia cuántica es idéntica a la frecuencia de la corriente de antenas.

Para la recepción de ondas electromagnéticas de alta frecuencia es ventajoso si la salida del filtro superconductor de interferencia cuántica es, en lo posible, inmediata, es decir, que presente longitudes de potencia en lo posible pequeñas, con las que está unida la electrónica convencional del sistema de antenas. Esto puede lograrse mediante los transistores idóneos para bajas temperaturas, como, por ejemplo, transistores HEMT o MOS-FET. Estos pueden ser accionados en la parte fría del sistema de antenas, es decir, allí donde reina la temperatura necesariamente baja para el accionamiento del filtro superconductor de interferencia cuántica. Tal circuito debe estar aislado térmicamente, al menos parcialmente, por ejemplo, disponiéndolo, al menos parcialmente, en un frasco de vacío, para que pueda ser llevado a la temperatura de trabajo adecuada a través de elementos de refrigeración activos o pasivos. Como elemento de refrigeración son especialmente adecuados tanto gases líquidos, como, por ejemplo, nitrógeno líquido o helio líquido, como así también refrigeradores activos, como, por ejemplo, refrigeradores Sterling, Joule-Thomson, o pulse-tube. Estos elementos refrigerantes pueden ser configurados con procedimientos conocidos acordes al estado de la técnica, de modo tal que durante el funcionamiento puedan extraer suficiente calor a la parte aislada térmicamente del circuito y/o a las partes de la estructura primaria de antenas.

La parte aislada térmicamente de la estructura primaria de antenas está configurada, en al menos un punto, de modo que sea permeable para ondas electromagnéticas de la frecuencia deseada. Según el área de frecuencia en la cual debe actuar la antena, esta denominada ventana puede estar conformada por diferentes materiales, por ejemplo, teflón, vidrio cuarzoso, óxido de aluminio, cerámica etc.

Para el accionamiento del filtro superconductor de interferencia cuántica y del transistor idóneo para bajas temperaturas están previstas las correspondientes líneas de alimentación y de mando. En el área de la parte aislada térmicamente del circuito se deben conducir estas líneas, preferentemente, de modo tal que no sea demasiado grande el calor arrojado a través de estas líneas.

Además están previstos medios para la derivación de la onda electromagnética del circuito. Para altas frecuencias, esta derivación se lleva a cabo habitualmente primero mediante guíaondas de microbanda y luego con cables coaxiales u otros guíaondas adecuados. Pero en el paso de la onda a través del aislamiento térmico también pueden implementarse pasos sin contacto, por ejemplo, acopladores capacitivos.

Para el circuito funcional de la estructura primaria de antenas, el filtro superconductor de interferencia cuántica y el transistor idóneo para bajas temperaturas están previstas, preferentemente, líneas de alta frecuencia, dado que estas no sufren pérdidas o sólo sufren perdidas mínimas. Pero también puede ser ventajoso, por ejemplo, por motivos de costes, utilizar líneas conductoras normales o conductores huecos, dado que son fáciles de fabricar. Dado que estas líneas se hallan, en parte, en el área de la parte térmicamente aislada del circuito, y por ello, a una temperatura muy baja, también en el caso de las líneas normales existe una notable ventaja respecto de las conexiones convencionales, en lo que respecta a las pérdidas disipativas.

También pueden ser ventajosas las ejecuciones en las que las líneas son ejecutadas como conductoras normales y como superconductoras. Si las líneas de bandas superconductoras se proveen de un revestimiento conductor normal adicional, entonces las líneas pueden ser dimensionadas de modo tal que, en caso de una sobrecarga o un cortocircuito, la corriente escape a través de una parte conductora normal y gracias a ello el superconductor no sufra daños.

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Dado que los sistemas de antenas habitualmente deben poseer una dinámica muy elevada, puede ser ventajoso, además, si el filtro superconductor de interferencia cuántica y los transistores idóneos para bajas temperaturas son accionados independientemente entre sí, en diferentes ramas del circuito. Ante la presencia de señales de entrada grandes, en las cuales se saturaría el filtro superconductor de interferencia cuántica, puede desactivarse su rama y sólo ser accionada la rama del transistor. Por el contrario, ante la presencia de señales de entrada muy pequeñas se utiliza la rama del circuito, que contiene al filtro superconductor de interferencia cuántica.

De este modo también se puede pensar en un sistema de antenas que sólo utilice las ventajas del transistor idóneo para bajas temperaturas y, de ese modo, no comprenda un filtro superconductor de interferencia cuántica.

Si el sistema de antenas está constituido por conductores normales de alta frecuencia o por conductores normales y superconductores de alta frecuencia y contiene una rama de transistores idóneos para bajas temperaturas sin filtro superconductor de interferencia cuántica, también se puede accionar el sistema de antenas, ya a temperaturas que son mayores a la temperatura crítica del superconductor utilizado. Esto presenta la ventaja de que, en caso de señales de entrada mayores, se requiere una menor potencia de refrigeración pero igualmente se logra una mayor sensibilidad en comparación con los transistores accionados a una temperatura normal. Gracias a una extracción de calor regulable de modo variable, como es posible, sin problemas, por ejemplo, con refrigeradores activos, se puede regular de modo variable la sensibilidad del sistema de antenas a través de la temperatura.

Dado que una cantidad importante de las pérdidas disipativas está condicionada, en los circuitos convencionales, por la pérdida de potencia, es ventajoso, además, refrigerar también, al menos, las líneas de alta frecuencia, que van desde la estructura primaria de antenas a cada primer componente activo, es decir, al filtro superconductor de interferencia cuántica o al transistor idóneo para bajas temperaturas.

Un modo muy efectivo de aislamiento térmico es, por ejemplo, la colocación del circuito o partes del circuito en un recipiente evacuable. Este tipo de recipientes pueden ser construidos de modo tal que conserven el vacío, y, con ello, el aislamiento térmico, por varios años. Especialmente utilizando refrigeradores activos, se puede colocar, en un frasco de vacío, un dedo de refrigeración de modo económico y que ahorra espacio.

Ventajosamente, ya se configura el aislamiento térmico del circuito mismo o de partes del circuito como parte de la estructura primaria de antenas. Esto puede llevarse a cabo, por ejemplo, si el aislamiento térmico se realiza con material dieléctrico (por ejemplo, espuma de teflón) y se configura geométricamente de tal modo que la onda electromagnética incidente se focaliza sobre el filtro superconductor de interferencia cuántica o sobre otra estructura de acople. El aislamiento térmico también puede llevarse a cabo a través de un frasco de vacío metálico. El frasco de vacío metálico mismo puede, a su vez, estar configurado como parte de una estructura primaria de antenas. Por ejemplo, el frasco de vacío metálico puede ser configurado como guíaondas o como terminación de guíaondas, alimentado por una temperatura primaria. El frasco de vacío también puede, ventajosamente, estar provisto de ventanas de alta frecuencia que actúan como antenas de apertura primarias.

En un modo de ejecución preferido se pueden minimizar todas las pérdidas dispativas y, de ese modo, el ruido propio del sistema, aislando térmicamente y refrigerando todo el circuito, compuesto por el filtro superconductor de interferencia cuántica, el transistor idóneo para bajas temperaturas y la estructura primaria de antenas. De este modo se obtiene un dispositivo con un máximo rendimiento.

En un modo de ejecución especialmente ventajoso para el área de frecuencia GHz, la pieza de acople de la estructura primaria de antenas está configurada como terminación del conductor hueco, en la cual ingresa un elemento de antena longitudinal, por ejemplo, una varilla de antena. Mediante esta varilla de antena, aislante respecto del conductor hueco eléctrico, se transporta directamente, o mediante una línea adecuada, a la onda electromagnética desacoplada sin sufrir grandes pérdidas, hasta la entrada de un componente activo, especialmente, cuando la terminación del conductor hueco se encuentra a una temperatura baja. Gracias a la conexión en serie de múltiples componentes activos ya en la parte fría del circuito, se puede lograr una amplificación de la señal de la antena con poco ruido. Ventajosamente, el aislamiento térmico del circuito y de la terminación del conductor hueco se realiza a través de un recipiente evacuable.

En un perfeccionamiento del modo de ejecución descrito en el último párrafo, la terminación del conductor hueco está provista de dos elementos de antena, especialmente, en forma de varillas, dispuestos desplazados entre sí. Esto presenta la ventaja de que se pueden desacoplar dos polarizaciones independientes de manera separada entre sí, desde el conductor hueco. El acople por separado en, respectivamente, un componente activo, posibilita el procesamiento por separado de ambas polarizaciones.

Para las aplicaciones en las que el espacio constitutivo del sistema de antenas debe ser en lo posible pequeño, es especialmente ventajoso, en el área de las frecuencias GHz, la utilización de campos de antenas de apertura o antenas de ranura como estructura primaria de antenas.

A causa de la elevada sensibilidad de los filtros superconductores de interferencia cuántica, en general, el tamaño de la apertura total de los campos de antenas sólo está dado por la característica direccional deseada del sistema de antenas. La apertura física puede consistir, por ello, en campos uni-, bi- o tridimensionales de antenas primarias. La unión de las señales de salida de cada antena del campo de antenas puede llevarse a cabo mediante una estructura de conductores huecos o guíaondas de microbanda. También se obtienen sistemas de antenas especialmente eficaces cuando la estructura primaria de antenas consiste en superconductores, especialmente, si las señales de salida de cada antena individual del campo son unidas mediante líneas de alta frecuencia. Si en tales campos se utilizan componentes activos adicionales, como, por ejemplo, adelantadores de fases para el mando de la característica direccional, se presenta otra ventaja, dado que estos componentes hacen menos ruido y trabajan de modo más eficiente, aún en el caso de temperaturas bajas.

También se puede modelar efectivamente la característica direccional del sistema de antenas con estructuras primarias de antenas configuradas con campos de antenas patch. En el caso de una configuración correspondiente de las antenas individuales del campo de antenas, ya se puede llevar a cabo, sobre todo, en el nivel de cada antena, una separación de polarización.

La utilización de lentes electromagnéticas como estructuras primarias de antenas es ventajosa si el sistema de antenas debe recibir, al mismo tiempo, señales de diferente polarización o señales con polarización modificable temporalmente. Dado que las lentes electromagnéticas contienen la polarización de la onda incidente, en el caso de la modificación temporal de la polarización de la ola incidente, se prescinde de la conducción posterior al nivel de la estructura primaria de antenas.

Para las aplicaciones en las que se requieren anchos de banda instantáneos muy grandes, es ventajosa la utilización de antena de cuerno como estructura primaria de antenas. La señal de salida de las antenas de cuerno puede ser acoplada de modo muy eficiente a un filtro superconductor de interferencia cuántica, por ejemplo, por las estructuras de conductores huecos dimensionados correspondientemente.

También utilizando antenas parabólicas se pueden lograr anchos de banda instantáneos muy grandes. En el caso de una apertura igualmente eficiente, una antena cuántica configurada de ese modo, especialmente, en el área de frecuencia GHz, es varias veces más eficiente que un sistema de antenas parabólicas convencional del mismo tamaño. Con campos de antenas parabólicas puede, además, lograrse un efecto direccional muy elevado del sistema de antenas.

En otro acondicionamiento ventajoso de la invención, los mismos electrodos del filtro superconductor de interferencia cuántica están configurados como la estructura primaria de antenas. Este acondicionamiento posee la ventaja de que el campo magnético de la corriente de antena que fluye en estas estructuras se acopla directamente en los bucles del filtro superconductor de interferencia cuántica. De este modo se puede reducir aún más la dimensión de la antena.

Dado que el filtro superconductor de interferencia cuántica puede poseer diferentes impedancias, según los tipos de contactos Josephson utilizados, es, además, ventajoso, proveer al circuito de antenas de un conversor de impedancia, que transforma la impedancia del filtro superconductor de interferencia cuántica, en la impedancia de un guíaondas que deriva la señal.

Se sabe que los contactos de Josephson que contiene el filtro superconductor de interferencia cuántica son osciladores no lineales en los que fluye una corriente alterna de alta frecuencia. También se sabe que tales osciladores de Josephson se pueden sincronizar (bloquear) en una frecuencia de una onda incidente desde fuera. Por ello, a causa de la relación de Josephson, la tensión continua que cae en los contactos es estrictamente proporcional a la frecuencia de la onda incidente. Si la información por recibir en la onda incidente está codificada a través de la frecuencia (modulación de frecuencia), entonces el desarrollo temporal de la tensión continua que cae en los contactos, y con ello, por el filtro superconductor de interferencia cuántica, corresponde al contenido de la información de la onda incidente. A causa de la univocidad de la curva característica del filtro superconductor de interferencia cuántica, a través de la selección correspondiente de la corriente de trabajo que alimenta al filtro superconductor de interferencia cuántica y del campo de mando magnético, se puede regular con gran precisión la frecuencia de la oscilación de Josephson en el filtro superconductor de interferencia cuántica. De este modo se asegura, por un lado, que el filtro superconductor de interferencia cuántica se bloquee en la frecuencia portante de la onda incidente, y por el otro, que esta frecuencia pueda ser cambiada fácilmente.

En todos los casos en los que la frecuencia portante oscila rápidamente en comparación con la frecuencia de modulación, en este modo de funcionamiento se demodula automáticamente la señal recibida por la antena y puede ser procesada directamente. El modo de ejecución indicado en la reivindicación 5 es, por ello, especialmente adecuado para el área de frecuencia entre 1 GHz y 100 GHz, y muy ventajoso porque se prescinde de la mezcla (downmix) de la señal requerida en el modo convencional mediante osciladores locales.

Debido al procedimiento de elaboración simplificado es, además, ventajoso, si la estructura primaria de antenas y el filtro superconductor de interferencia cuántica se encuentran en un portador común (chip). Esto posibilita la fabricación de chips de antenas integrados con el procedimiento de tecnología de capa fina conocido.

Pero en determinadas áreas de longitud de onda, y en el caso de la aplicación de materiales que no permiten una tecnología multicapa, también puede ser ventajoso colocar ambos elementos funcionales de la antena sobre diferentes portadores. Estos portadores pueden ser acoplados luego mediante hilos eléctricos. Esta disposición también es ventajosa si, debido al espacio constitutivo, debido a la reducción de fallas externas o debido a otros motivos, la estructura primaria de antenas debe presentar una orientación espacial diferente a la del filtro superconductor de interferencia cuántica. Otra ventaja consiste en que se pueden utilizar diferentes materiales para los diferentes portadores.

Si la antena debe poseer una sensibilidad muy elevada y no se dispone de tecnología multicapa, también se puede lograr un acople eficiente entre la estructura primaria de antenas y el filtro superconductor de interferencia cuántica colocando los portadores de ambos elementos funcionales directamente superpuestos, y, por ejemplo, pegados entre sí.

Los componentes electrónicos superconductores requieren temperaturas de trabajo muy bajas. El costo de obtención y mantenimiento de estas temperaturas aumenta notablemente, cuanto más baja sea la temperatura de trabajo del superconductor utilizado. En principio se pueden utilizar, para la antena, todos los superconductores conocido a partir de los cuales se pueden obtener contactos de Josephson. Pero se recomienda, ventajosamente, utilizar materiales cuya temperatura de trabajo sea lo más alta posible. Estos materiales conocidos son los denominados superconductores de alta temperatura, cuyas temperaturas de trabajo alcanzan, aproximadamente, más de -200ºC, y que pueden ser refrigerados de modo económico con nitrógeno líquido. El método conocido más simple y más económico de obtener contactos de Josephson a partir de estos materiales es el método de contactos de frontera de grano. Estos contactos poseen parámetros muy inhomogéneos, y por ello son, por lo demás, poco adecuados para circuitos electrónicos cuánticos, pero a causa de la gran tolerancia a errores de los filtros superconductores de interferencia cuántica, condicionada por el diseño, se pueden utilizar sin problema para la antena.

Es ventajoso si también las estructuras primarias de antenas están formados por superconductores de alta temperatura. Dado que un superconductor posee la característica de que en su interior desaparecen completamente los campos eléctricos, en este tipo de estructuras fluyen, en general, corrientes de antena mayores que en las estructuras conductoras normales. Esto incrementa la sensibilidad de la antena.

Si la antena consiste en superconductores o en superconductores y conductores normales, entonces también puede ser accionada de manera activa, es decir, mediante un refrigerador, sin utilizar medios refrigerantes líquidos. Mientras que los medios refrigerantes líquidos deben ser reemplazados regularmente, y por ello los tiempos de trabajo están muy restringidos, los refrigeradores pueden mantener las temperaturas de trabajo necesarias de manera duradera y confiable. A causa de la utilización de filtros superconductores de interferencia cuántica, que poseen una dinámica muy grande, las fallas electromagnéticas originadas por el refrigerador no provocan una disminución en el desempeño de la antena. Utilizando superconductores de alta temperatura, las potencias típicas requeridas para el accionamiento de un refrigerador son muy bajas y se encuentran en el área de los 20 W-40 W. En general, también en la aplicación móvil se puede disponer sin problemas de este tipo de potencias.

En el caso del accionamiento de la antena en un refrigerador es favorable si la antena se encuentra sobre un chip, colocado directamente sobre el dedo de refrigeración del refrigerador. De este modo se reduce notablemente la potencia de refrigeración requerida y se pueden utilizar refrigeradores muy pequeños. La potencia de refrigeración se reduce aún más si la señal de salida de la antena se deriva del chip de la antena con un guíaondas mal conductor de calor.

Además es ventajoso si el guíaondas se utiliza, al mismo tiempo, para alimentar la antena con energía eléctrica. Esto ahorra cables adicionales que aumentarían la carga calórica, y con ello, la potencia de refrigeración requerida.

Sobre todo el caso de las frecuencias de entrada, en el área de GHz, es ventajoso configurar la estructura primaria de antenas de modo resonante. Esto se lleva a cabo, de la manera más simple, utilizando varillas de antenas o campos cuya longitud se encuentra en el área de media longitud de onda, de la onda incidente. En este caso, en las estructuras de las antenas fluyen grandes corrientes reactivas, lo cual incrementa notablemente la sensibilidad de la antena. A su vez, también se pueden utilizar antenas patch o similares, cuyas dimensiones se encuentren en el área de media longitud de onda, de la onda incidente.

Dado que no es necesaria una adaptación de impedancia de la estructura primaria de antenas, también se pueden utilizar antenas de bucle magnéticas como estructuras primarias de antenas. Dado que el filtro superconductor de interferencia cuántica utilizado tiene un ruido muy bajo, ese tipo de antenas de bucle también pueden utilizarse en casos de frecuencias muy elevadas. La ventaja de las antenas de bucle es que sus medidas pueden ser mucho menores a las longitudes de onda de la onda incidente. Dado que sólo son importantes las corrientes de antena, se pueden utilizar antenas de bucle abiertas y cerradas.

Debido a la elevada sensibilidad de los filtros superconductores de interferencia cuántica, también pueden utilizarse pequeñas antenas individuales eléctricas o campos de antenas individuales eléctricas. Las medidas de este tipo de antenas primarias son mucho menores que la longitud de onda de la onda incidente, pero también sin red de adaptación las corrientes de antena inducidas en ellas alcanzan, en general, para excitar lo suficiente al filtro superconductor de interferencia cuántica.

Para determinadas aplicaciones, especialmente, en el caso de frecuencias muy elevadas, también puede ser ventajoso si se utiliza, como estructura primaria de antenas, una capa dieléctrica. En este tipo de capas también se presentan resonancias, y fluyen corrientes de superficie que pueden ser acopladas a los filtros superconductores de interferencia cuántica. También son posibles las combinaciones de capas dieléctricas con estructuras conductoras.

La estructura primaria de antenas también puede consistir en una cavidad de resonancia dentro de la cual se encuentra el filtro superconductor de interferencia cuántica, en una posición adecuada de máxima intensidad del campo magnético. Según la posición del filtro superconductor de interferencia cuántica dentro de la cavidad, se pueden seleccionar diferentes modos. Esto puede ser especialmente ventajoso para la separación de polarización y para incrementar aún más la sensibilidad.

Si en la estructura primaria de antenas o entre la estructura primaria de antenas y el filtro superconductor de interferencia cuántica se aplican elementos de filtro de frecuencia adicionales, entonces se pueden seleccionar adecuadamente las bandas de frecuencia correspondientes. De ese modo se puede realizar una antena multibanda. Esto puede ser una gran ventaja si, al mismo tiempo, reinan grandes diferencias de intensidades de señal de las ondas incidentes, en diferentes bandas de frecuencia. De este modo pueden eliminarse adecuadamente las señales demasiado fuertes en determinadas bandas, que cubrirían las señales débiles por recibirse.

Agregando componentes electrónicos activos y/o pasivos adicionales se puede incrementar el rendimiento de la antena. Este es el caso, especialmente, cuando el paso de la señal de salida de la antena en la electrónica de recepción convencional se debe efectuar directamente en la salida del filtro superconductor de interferencia cuántica, para evitar pérdidas parásitas. Especialmente en el caso de frecuencias muy elevadas, se pueden minimizar, de este modo, las pérdidas de tiempo de trabajo. Dado que la antena misma sólo requiere de poco espacio constitutivo, los componentes electrónicos adicionales pueden ser alojados en la parte fría del circuito. En el caso de la selección correspondiente de los componentes se reduce notablemente, con ello, el ruido térmico, y se incrementa la sensibilidad de todo el sistema de antena-receptor.

También se puede incrementar la sensibilidad utilizando dos o más antenas acordes a la invención en un campo de antenas. Este tipo de campos de antenas pueden ser refrigerados de manera conjunta por un refrigerador, o cada antena cuenta con un refrigerador propio. Los campo de antenas presentan la ventaja de que la sensibilidad de todo el sistema aumenta con la cantidad de antenas utilizadas ("supergain"). Además, mediante la disposición correspondiente de cada antena en el campo, se pueden generar características direccionales muy marcadas ("superdirectivity").

Si las antenas acordes a la invención se disponen en un campo de antenas, y las señales de salida de cada antena se superponen de modo sensible a las fases, formando una señal global, con medios adecuados, como, por ejemplo, adelantadores de fases accionables electrónicamente o líneas de retardo, entonces esto presenta la ventaja de que se puede determinar con exactitud la posición espacial del emisor de la onda electromagnética recibida. Si se conoce el lugar del emisor, con este procedimiento, por otro lado, se pueden discriminar diferentes emisores. Dado que las antenas acordes a la invención no extraen energía del campo electromagnético, o sólo extraen una cantidad muy pequeña de energía, la determinación de la posición de las antenas acordes a la invención es, por el contrario, extremadamente difícil.

Un método de elaboración especialmente económico y efectivo para las antenas puede ser utilizado cuando el circuito es concebido en la tecnología de guíaondas de microbanda conocida. En esta tecnología, el electrodo y el contraelectrodo del circuito no se colocan sobre la superficie del portador (chip), sino que el portador es provisto de una placa base que conforma el contraelectrodo. Sobre la cara superior del portador se encuentran entonces solamente los circuitos impresos del electrodo. Este método permite una elevada densidad de integración sobre el portador y minimiza las pérdidas, porque los campos eléctricos están esencialmente concentrados en el sustrato del portador. Si el chip de la antena se acciona sobre el dedo de refrigeración de un refrigerador activo, entonces este dedo de refrigeración mismo también puede ser utilizado como placa base (contraelectrodo).

Sobre todo en el caso de frecuencias menores a 1 GHz, es ventajoso proveer al filtro superconductor de interferencia cuántica, de un mando retroactivo (feed back loop). La señal de salida del filtro superconductor de interferencia cuántica, a su vez, es acoplado retroactivamente al el filtro superconductor de interferencia cuántica, ya sea de manera positiva, para incrementar la sensibilidad, o de manera negativa, para estabilizar el punto de trabajo. En caso de un acoplamiento retroactivo negativo (negative feed back) el circuito puede ser accionado de modo tal que el punto de trabajo permanezca constante sobre la curva característica del filtro superconductor de interferencia cuántica. En ese caso, la corriente de acoplamiento retroactivo, o la tensión de acoplamiento retroactivo contiene la información de la onda incidente.

A causa de la reciprocidad de la recepción y la emisión de ondas electromagnéticas, la antena también puede ser configurada de modo tal que emita una onda electromagnética. Si se determina la impedancia del filtro superconductor de interferencia cuántica acorde a la impedancia de radiación del campo de antenas primario, entonces el filtro superconductor de interferencia cuántica aplica al campo de antenas primario una oscilación de tensión que le fue suministrada a él. El campo de antenas primario irradia entonces una onda electromagnética. Condicionado por el principio de funcionamiento de la antena, la potencia irradiada es, en general, pequeña, pero este modo de ejecución puede ser ventajoso si, además de la recepción se cumplen otras tareas adicionales, por ejemplo, la sincronización de antenas que operan separadas espacialmente.

Se pueden mencionar las siguientes fuentes para referir al estado de la técnica:

J.D. Kraus, Antennas, segunda edición, Mc Graw-Hill, 1988.

S. Ramo, J.R. Whinnery, T. Van Duzer, Fields and waves in communication electronics, (campos y ondas en la electrónica de la comunicación), tercera edición, John Wiley, 1994.

A. Barone y G. Paterno, Physics and Applications of the Josephson Effect (Física y aplicación del efecto Josephson), John Wiley, 1982.

J. Hinken, Superconducting Electronics (electrónica de superconductores), Springer, 1988.

K.K. Likharev, Dynamics of Josephson junctions and circuits (Dinámicas de las uniones y circuitos Josephson), Gordon and Breach, 1991.

R.D. Parmentier y N.F. Pedersen, Nonlinear superconducting devices and High-Tc materials (Dispositivos superconductors no lineales y materiales de alta tecnología), World Scientific, 1995.

J.C. Gallop et al., SQUIDS, the Josephson Effect and superconducting electronics (El efecto Josephson y electrónicas de superconductores), Hilger, 1991.

H. Weinstock (editor), SQUID Sensors: Fundamentals, Fabrication and Applications (Sensores SQUID: Fundamentos, fabricación y aplicaciones), Kluwer Academic Publishers, 1996.

J. Oppenländer, Ch. Häußler, y N. Schopohl, Phys. Rev. B63, 024511 (2001).

Ch. Häußler, J. Oppenländer, y N. Schopohl, J. Appl. Phys. 89, 1875 (2001).

J. Oppenländer, Ch. Häußler, y N. Schopohl, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, 1271 (2001).

J. Oppenländer, Ch. Häußler, T. Träuble, y N. Schopohl, Physica C 368, 119 (2002).

V. Schultze, R. Ijsselsteijn, H.-G. Meyer, J. Oppenländer, Ch. Häußler, y N. Schopohl, IEEE Trans. Appl. Supercond 13, (de próxima publicación en junio de 2003).

Dibujos

Múltiples ejemplos de ejecución están representados en los dibujos y explicados con mayor precisión, indicando otras ventajas y detalles.

Se muestran:

Figura 1 la curva característica típica de tensión del campo magnético de un filtro superconductor de interferencia cuántica y la definición de un punto de trabajo adecuado,

Figura 2a el diseño típico de un circuito de una antena acorde a la invención con un filtro superconductor de interferencia cuántica y una estructura primaria de antenas acoplada,

Figura 2b una antena acorde a la invención en la cual los mismos electrodos del filtro superconductor de interferencia cuántica están configurados como estructura primaria de antenas,

Figura 2c un circuito de antenas en el cual la señal de salida de la antena es desacoplada a través de un transformador de impedancia coplanar,

Figura 2d una antena acorde a la tecnología de superconductores de alta temperatura con contactos de Josephson de frontera de grano,

Figura 3 la representación esquemática del funcionamiento de la antena acorde a la invención en un sistema de refrigeración activo,

Figura 4a un campo de antenas primario con resonancia geométrica,

Figura 4b una antena acorde a la invención, en la cual la estructura primaria de antenas está configurada como cavidad de resonancia,

Figura 4c un circuito de antenas acorde a la tecnología de microbandas, Figura 5 la representación muy esquemática de una estructura de antena para ondas electromagnéticas de alta frecuencia,

Figura 6 una representación esquemática de una estructura de antena con un frasco de vacío,

Figura 7a un modo de ejecución comparable al de la figura 5, pero con un campo de antenas de apertura,

Figura 7b un modo de ejecución, en una representación correspondiente a la figura 7a, de una antena con reflectores paraboidales,

Figura 8 un modo de ejecución de una antena en una representación esquemática, con un campo de antenas patch,

Figuras 9a y b un SQIF de múltiples células de contactos de Josephson conectados en paralelo, en una representación espacial,

Figura 10 el cuadro de conexiones de un circuito eléctrico superconductor equivalente de un filtro de interferencia cuántica con N = 10 contactos,

Figura 10a a f cuadros de conexiones de otros circuitos eléctricos superconductores,

Figura 11 una función de respuesta a la tensión para un SQIF con N = 30 contactos,

Figura 12a y b funciones de respuesta periódica a la tensión para SQUIDs convencionales,

Figura 12c la función de respuesta a la tensión de un filtro superconductor de interferencia cuántica,

Figura 12d la función de respuesta a la tensión de un SQUID y de un SQIF,

Figura 13 una disposición representada simbólicamente de un filtro superconductor de interferencia cuántica con una indicación de una base vectorial del espacio tridimensional,

Figura14 un filtro superconductor de interferencia cuántica plano, representado esquemáticamente, con un dispositivo de compensación del campo magnético,

Figura 15 una vista esquemática de un filtro superconductor de interferencia cuántica con una línea de mando conectada en paralelo,

Figura 16 una representación esquemática de una puesta en red de segmentos de SQIF,

Figura 17a hasta c representaciones esquemáticas de filtros superconductores de interferencia cuántica planos con una disposición geométrica para la minimización de la influencia de los campos autoconsistentes,

Figura 18a una red de células conectadas en serie,

Figura 18b una función de respuesta a la tensión correspondiente a una red acorde a la figura 18a, en una conexión en serie para N = 100 células,

Figura 18c una curva característica corriente-tensión de una red acorde a la figura 18a, cuando es accionada como amplificado de corriente, mediante un circuito compensador de corriente,

Figura19a en la imagen superior, la típica función de respuesta a la tensión de un SQUID convencional, con el correspondiente espectro de frecuencia en la imagen inferior,

Figura 19b en la imagen superior, una típica función de respuesta a la tensión de una red de células idénticas y el correspondiente espectro de frecuencia en la imagen inferior,

Figura 19c en la imagen superior, la función de respuesta a la tensión de un filtro superconductor de interferencia cuántica sin periodicidad, y el espectro correspondiente en la imagen inferior,

Figura 19d en la imagen superior, una función de respuesta a la tensión y en la imagen inferior el espectro correspondiente de un filtro de interferencia cuántica, que posee una periodicidad comparativamente grande y condicionada técnicamente, y

Figura 20 una representación esquemática de un filtro superconductor de interferencia cuántica plano con un bucle acoplador superconductor que amplifica al campo magnético primario en el lugar del filtro (pick-up-loop).

Descripción de los ejemplos de ejecución

En la figura 1 está representada una típica curva característica de un filtro superconductor de interferencia cuántica (SQIF). Si el SQIF es alimentado con corriente eléctrica de la intensidad adecuada, entonces cae en el SQIF una tensión que depende del campo magnético que atraviesa el SQIF. A diferencia de los SQUIDs convencionales conocidos, la curva característica no es periódica, sino que posee un mínimo unívoco en el caso de la desaparición del campo magnético B=0. Dado que la curva característica no presenta una forma sinusoidal, como en los SQUIDs o conjuntos de antenas de SQUIDs convencionales, la linealidad de su flanco 1 o 1* es muy alta.

Gracias a la regulación de un punto de trabajo 2 adecuado, que puede llevarse a cabo a través de la ejecución de un campo magnético constante (campo de mando), el SQIF puede ser accionado como amplificador o transformador de corriente y de tensión con una elevada linealidad.

En la figura 2a está representado un típico circuito de antenas con las características de la reivindicación 1. El SQIF 3 está acoplado de modo inductivo a una antena primaria 4. En el caso de la incidencia de una onda electromagnética, fluye una corriente de antena en la antena primaria 4. Dado que la antena en un área determinada se conduce espacialmente cerca y a lo largo del SQIF, esta corriente de antena genera un campo magnético en el lugar de los bucles del SQIF. Si el SQIF es accionado en un punto de trabajo 2 adecuado, entonces cae, en el SQIF, una tensión cuya dirección depende de la dirección de la corriente de antena. De este modo, el SQIF genera una oscilación de tensión que se corresponde unívocamente a la oscilación de la corriente de antena. A través de la adecuada elección de la cantidad de bucles del SQIF 3, en principio se puede regular libremente la carrera de tensión, de la tensión que cae en el SQIF, y de ese modo, se puede seleccionar libremente el área dinámica del transformador de corriente y de tensión. El campo magnético requerido para el mando del SQIF puede realizarse a través de una bobina de excitación o a través de una línea de mando 5 alimentada con corriente adecuada. Esta línea también puede ser utilizada para estabilizar el punto de trabajo o para acoplar retroactivamente al SQIF la señal de tensión generada por el SQIF, por ejemplo, mediante una resistencia eléctrica. Para que se pueda conducir la oscilación de tensión que cae en el SQIF a un receptor se colocaron los electrodos 3a y 3b en el SQIF. Estos electrodos se unen al guíaondas adecuado para cada área de frecuencia, que conduce la señal de salida del SQIF al receptor, con la menor pérdida
posible.

En el caso más simple, el SQIF es accionado sin control del punto de trabajo en el mínimo de la curva característica. La señal de tensión generada por el SQIF presenta una frecuencia doble respecto de la oscilación de la corriente de antena. En este modo operativo de la antena pueden recibirse fácil y confiablemente sobre todo las señales de fases codificadas de modo binario.

En la figura 2b un SQIF paralelo está configurado de modo tal que los electrodos del SQIF mismos son la estructura primaria de antenas. En el caso de una polarización correspondiente a la incidencia de una onda electromagnética, en el electrodo 6 es inducida la corriente de antena. Esta corriente de antena se acopla en los bucles 7 del SQIF, directamente a un campo magnético. Mediante los electrodos 7a y 7b se deriva la señal de salida del SQIF. El electrodo 6, a su vez, también puede ser configurado como bucle cerrado (modo de ejecución no representado). En un modo de ejecución que tampoco está representado, los electrodos de cada bucle del SQIF o de grupos de bucles están configurados como varillas de antena individuales o estructuras de antenas. Este modo de ejecución presenta la ventaja de que las estructuras de antenas individuales pueden ser configuradas de manera diferente y, de este modo, posibilitan la regulación del ancho de banda.

En la figura 2c está representado un circuito de antenas, en el cual se desacopla la señal de salida del SQIF 8, a través de una línea de bandas coplanar 9. En el extremo de la línea de bandas coplanar 9 se encuentra la estructura de transformación de impedancia coplanar 10, que transforma la impedancia del SQIF en la impedancia del guíaondas conectado 11. De este modo se pueden evitar las pérdidas por una inadaptación de impedancia del SQIF y del guíaondas o del consumidor (circuito de recepción).

La estructura primaria de antenas en la figura 2c consiste en varilla de antena 12, en cuyos extremos está dispuesto un devanado espiral 13. Los devanados espiral 13 están dispuestos directamente sobre bucles del SQIF 14, lo cual es posible, sin problemas, por ejemplo, en la tecnología multicapa de capa fina. En dichas disposiciones, el campo magnético generado por las corrientes de antena es acoplado fácilmente al SQIF.

En la figura 2d está representado un circuito de antenas, en el cual el SQIF y la estructura primaria de antenas fueron elaborados a partir de superconductores de alta temperatura (en este caso, YBCO). Los contactos Josephson son, en este caso, contactos de frontera de grano. Estos contactos de frontera de grano se originan si un circuito impreso 15 traspasa la frontera de grano 16. A causa de su forma constructiva simple de los contactos, las dispersiones de los parámetros de contacto son muy elevadas. A diferencia de lo que ocurre en los circuitos convencionales electrónicos cuánticos, esto no influye en el rendimiento del SQIF. La línea 17 forma parte de la estructura primaria de antenas y se acopla inductivamente al SQIF.

La figura 3 muestra un ejemplo de ejecución, en el cual un chip de antena es accionado en un refrigerador pequeño. El circuito de antenas 18 se halla on-chip. El chip mismo está acoplado térmicamente al dedo de refrigeración 19 del refrigerador pequeño 20. Para el aislamiento térmico el chip de antena y el refrigerador pequeño se encuentran en un frasco de Dewar 21. El frasco de Dewar 21 cuenta con una ventana 22 que permite el paso de las ondas electromagnéticas. La señal de salida de la antena se deriva del chip de antena por un guíaondas 23 a prueba de vacío y mal conductor de calor. A causa del área dinámica grande de los SQIFs, pueden utilizarse refrigeradores de los más diversos tipos constitutivos.

En un modo de ejecución no representado, el dedo de refrigeración mismo sobre el que se encuentra el chip de antena, está configurado como estructura primaria de antenas. Dado que a causa del portador (sustrato), el dedo de refrigeración de todos modos está acoplado magnética y eléctricamente al SQIF, este modo de ejecución presenta la ventaja de que no necesariamente debe hallarse una estructura primaria de antenas sobre el chip.

En la figura 4a el campo de antenas primario 24 consiste en piezas conductoras 25, cuya longitud fue seleccionada en función de media longitud de onda, de la onda electromagnética por recibir. Este modo de ejecución presenta la ventaja de que, en el caso de resonancia, fluyen elevadas corrientes reactivas en la estructura de antena que, de ese modo, excitan de manera óptima al SQIF 26. A través de una configuración correspondiente del campo de antenas con piezas de a antenas de longitudes ligeramente diferentes o a distancias ligeramente diferentes entre sí, se puede modelar una banda de frecuencia, dentro de la cual la antena es especialmente sensible.

En la figura 4b está representado un modo de ejecución en el cual el SQIF 27 se encuentra en una cavidad de resonancia 28 (guíaondas abierto por un lado). Esto presenta la ventaja de que, junto con el incremento de la sensibilidad, se puede seleccionar la posición del SQIF respecto de la cavidad de determinados modos electromagnéticos, por ejemplo, para la separación de polarización.

En un modo de ejecución no representado están dispuestas múltiples o muchas antenas en campos de antenas. Esto presenta la ventaja de que la sensibilidad aumenta junto con la cantidad de antenas, pueden ser aprovechados efectos de supergain, y se puede modelar una característica direccional determinada.

En un modo de ejecución que tampoco están representado aquí, los elementos de dicho campo de antenas son accionados en fase (conjunto de antenas en fase). Para ello se superponen, con adelantadores de fases adecuados, las señales de salida de las diferentes antenas con diferentes longitudes de fase. Esto presenta la ventaja de que puede seleccionarse la posición espacial del emisor de la onda electromagnética recibida. Especialmente cuando las distancias entre las antenas y el campo de antenas se seleccionan de modo inconmensurable, se puede determinar la posición espacial del emisor de la onda electromagnética, mediante una superposición sensible a las fases de las señales de salida de las diferentes antenas. A causa del principio de funcionamiento basado en el efecto mecánico cuántico, de la elevada linealidad de la antena activa y de las bajas temperaturas de trabajo, el ruido de fases de las antenas acordes a la invención es muy reducido. Además de una sensibilidad muy elevada en comparación con las antenas convencionales, este ruido de fases reducido es otra gran ventaja de las antenas acordes a la invención.

En la figura 4c está representado un ejemplo de ejecución de la antena según la tecnología de guíaondas de microbanda. El SQIF 29 y la estructura primaria de antenas 30 se encuentran en la cara superior de un sustrato 31. La placa base conductora eléctrica 32 conforma el contraelectrodo. La tensión que cae en el SQIF 29, en el caso de excitación, es tomada entre el electrodo 33 y la placa base 32. El electrodo 34 sirve para la alimentación del SQIF y/o para la unión con la placa base. En el caso de sustratos que lo permiten, también pueden utilizarse, para ello, chapeados sobre la placa base (vias). En el caso de la aplicación de la tecnología multicapa, la placa base (contraelectrodo) también puede formarse por estructuras de capas conductoras sobre la superficie del sustrato.

Si la antena activa o el chip de la antena se acciona en un sistema de refrigeración activo, entonces el dedo de refrigeración mismo también puede ser colocado en la antena activa, a modo de contraelectrodo (placa base). Dado que el dedo de refrigeración habitualmente está formado por metales que son buenos conductores de calor, y por ello, en general, también son buenos materiales conductores eléctricos, dicha configuración presente grandes ventajas en lo que respecta a la técnica de la fabricación.

En la figura 5 está representado un ejemplo de ejecución para ondas electromagnéticas de alta frecuencia. La estructura primaria de antenas consiste en una antena de cuerno 60 y una terminación del conductor hueco 55 con una varilla de antena 54. A través de la varilla de antena 54 se desacopla una onda incidente de la terminación del conductor hueco. La varilla de antena 54 está directamente unida a la entrada de un filtro superconductor de interferencia cuántica 51. Otro refuerzo de la señal se logra a través de un transistor idóneo para bajas temperaturas 52, conectado como amplificador. El filtro superconductor de interferencia cuántica 51 y el transistor 52 están unidos entre sí mediante un guíaondas de microbanda 53a. La señal amplificada se suministra a un guíaondas 56, a través de otro guíaondas de microbanda 53b. La terminación del conductor hueco 55 y el circuito formado por la varilla de antena, el filtro superconductor de interferencia cuántica y el transistor idóneo para bajas temperaturas, se encuentran dentro de un aislamiento térmico 57 que cuenta con una ventana de alta frecuencia 59. El guíaondas 56 sale del aislamiento térmico 57 a través de un paso 56a. Las líneas de mando y alimentación 61 del circuito son conducidas por el paso 61a. El circuito 51, 52, 53a, 53b está acoplado, a través de una terminación del conductor hueco 55 y un conductor térmico 58, a un depósito de frío (no representado) (refrigeración pasiva, por ejemplo, a través de gas líquido) o a un refrigerador activo (refrigeración activa, por ejemplo, refrigerador Sterling o pulse tube).

La varilla de antena 54 y las guíaondas de microbanda 53 pueden ser ejecutadas de modo conductor normal y/o superconductor. Para reducir aún más el ruido propio, la terminación del conductor hueco 55 también puede estar conformada con materiales superconductores. Los elementos refrigerantes activos o pasivos deben estar configurados, en lo que respecta a su rendimiento de refrigeración, preferentemente de modo tal que al menos en el lugar de los componentes de construcción conformados por superconductores se pueda alcanzar la temperatura
crítica.

El aislamiento térmico 57 puede ser ejecutado como frasco de vacío. La ventana de alta frecuencia 59 actúa, al mismo tiempo, como ventana de vacío, y los pasos 56a y 61a están configurados como pasos resistentes al vacío. Los frascos de vacío presentan la ventaja de un aislamiento térmico muy bueno, y posibilitan el funcionamiento de la antena a temperaturas muy bajas.

La figura 6 muestra un ejemplo de ejecución en el cual el aislamiento térmico 57 está constituido como frasco de vacío metálico 55. El filtro superconductor de interferencia cuántica se encuentra en un chip montado sobre el dedo de refrigeración 58 de un refrigerador activo. Está unido, a través de un guíaondas de microbanda, a un transistor idóneo para bajas temperaturas 52. A través del guíaondas de microbanda 53 se alimenta la señal amplificada a un guíaondas 56 y se la conduce al consumidor. Las líneas 61 sirven para alimentar el circuito con las corrientes y tensiones de funcionamiento y de mando. El paso de vacío 61a está ejecutado como paso vidriado.

La primera parte de la estructura primaria de antenas consiste en una lente dieléctrica 59, que sirve, al mismo tiempo, como ventana de vacío. La onda incidente se enfoca directamente en una estructura de antenas on-chip, acoplada directamente al filtro superconductor de interferencia cuántica. En el caso de la correspondiente configuración del frasco de vacío como guíaondas, y de ese modo, como otra parte de la estructura primaria de antenas, se puede evitar la expansión de modos parásitos. La integración del transistor idóneo para bajas temperaturas, directamente en el filtro superconductor de interferencia cuántica, posee, además del muy reducido ruido propio del sistema, la ventaja adicional de que, las pérdidas que aparecen necesariamente en el paso de vacío 56a del guíaondas 56 no provocan un desmejoramiento de la relación señal-ruido.

En la figura 7a está esbozado un modo de ejecución en el cual la estructura primaria de antenas consiste en un campo de antenas de apertura 63, una estructura de conductores huecos 62, que une las señales de cada antena de apertura, y una terminación del conductor hueco 55 con una varilla de desacople 54. El espacio requerido para la construcción, de esta ejecución es habitualmente notablemente menor que el espacio requerido para la construcción del ejemplo de ejecución de la figura 5.

En la figura 7b una parte de la estructura primaria de antenas está ejecutada como reflector paraboidal 64, en cuyo foco se encuentra otro reflector menor 65, que enfoca la onda incidente sobre la terminación del conductor hueco 55. La ventana de alta frecuencia 59 se encuentra en el centro del reflector paraboidal 64. Este modo de ejecución presenta la ventaja de que, mediante el reflector secundario 65, se pueden mantener reducidos los efectos de sombreado y de difracción. Pero también son posibles modos de ejecución en los que el circuito y la terminación del conductor hueco mismos están dispuestos correspondientemente en el foco del reflector paraboidal.

La figura 8 muestra un ejemplo de ejecución en el que la estructura primaria de antenas consiste en un campo de antenas patch 66 y guíaondas de microbanda 67, que une las señales de cada antena patch. Las señales recogidas se suministran a un filtro superconductor de interferencia cuántica 51, cuya salida está unida a un amplificador de transistores de dos pasos 52. La señal de salida del circuito se le suministra a un guíaondas 56. Las corrientes y tensiones de trabajo se suministran a través de las líneas 61 y las capacidades e inductividades de los componentes activos. En este ejemplo de ejecución, todo el circuito y toda la estructura primaria de antenas se encuentra en un aislamiento térmico 57. El acople al depósito de frío se lleva a cabo, habitualmente, desde abajo, la ventana de alta frecuencia se encuentra sobre el campo de antenas.

A continuación se detallan los ejemplos de ejecución esbozados en la figura 9. Las representaciones acordes a las figuras 9a y 9b muestran la realización física de redes simples de de varios bucles 101, 102 con contactos de Josephson 103, 104, cuya geometría y comportamiento de detección los constituyen filtros superconductores de interferencia cuántica. Las redes 101, 102 consisten en áreas superconductores 105, 106, unidas entre sí a través de contactos de Josephson 103, 104. Las áreas superconductoras pueden, a su vez, consistir tanto en materiales superconductores idóneos para bajas temperaturas como así también en materiales superconductores idóneos para alta temperaturas. La capacidad de funcionamiento de la red tampoco depende de la ejecución especial de los contactos de Josephson (por ejemplo, breakjunctions, step-junctions, micropuentes etc.). Las indicaciones cuantitativas para los ejemplos de ejecución se refieren, a modo de ejemplo, a las especificaciones de los parámetros de los contactos de Josephson típicos correspondientes al estado de la técnica, formados por superconductores convencionales, por ejemplo, aquellos contactos de Josephson elaborados con la tecnología Nb/Al0_{x}/Nb, como los utilizados en los magnetómetros de SQUIDs convencionales. Este tipo de contactos presentan corrientes críticas típicas i_{c} de aproximadamente 200 \mu A y una resistencia normal r_{n'} definida por una resistencia óhmica conectada en paralelo desde el exterior, de, por ejemplo, 1\Omega, así como una capacidad geométrica de derivación (shunt) c_{\pi} en el área de picofaradio. La dimensión espacial de la red puede ser comparable con los SQUIDs convencionales. Las medidas de las células de red se encuentran en el área de los \mum a mm. Sin embargo, según la aplicación, las redes SQIF pueden presentar células con mayores o menores medidas.

En las figuras 9a y 9b se constituye el filtro superconductor de interferencia cuántica a través de una red plana 101, 102 de contactos de Josephson 103, 104, que posee células 107 a 113 o. 107a a 114a, que posee, cada una, dos contactos en dirección de la corriente. En la figura 10 vemos el cuadro de conexiones de un circuito eléctrico superconductor equivalente superconductor de un filtro de interferencia cuántica con N = 10 contactos. La red se caracteriza porque las superficies de cada célula 101 a 109 presentan un tamaño diferente y las áreas |a_{j}| de cada célula de red se encuentran en una relación racional entre sí. Con 114 se identifican las resistencias de compensación. La cruz indica los contactos de Josephson 101 a 110. Mediante el recuadro de línea de puntos alrededor de los contactos de Josephson se identifica el área unida de modo superconductor. Las líneas de trazo grueso dentro de este recuadro simbolizan las uniones supraconductoras. Especialmente bajo estas condiciones se genera el efecto físico de la interferencia cuántica múltiple macroscópica, de tal modo que las funciones de onda de mecánica cuántica que describen el estado de cada área superconductora individual, sólo interfieren constructivamente cuando la red de flujo magnético desaparece de modo idéntico. El estado general macroscópico de la red puede ser leído accionando la red con una corriente supercrítica constante o modificable temporalmente I0. Entonces se obtiene una función de respuesta a la tensión \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle que sólo posee un mínimo global absoluto en el caso de |\overline{B}| = 0 y en el caso de |\overline{B}| creciente, presenta un crecimiento monótono, hasta que, finalmente, se alcanza un valor V_{max}(\overline{B}; I_{0}) que se mantiene aproximadamente constante, que ya no sufre modificaciones considerables al incrementarse |\overline{B}|, como está representado esquemáticamente en la figura 11 para una red con N = 30 contactos. Por ello, para un campo magnético \overline{B} presente en el lugar de la red con 0<|\overline{B}|<|\overline{B}|, la función de respuesta a la tensión del filtro superconductor de interferencia cuántica es unívoca. Para |\overline{B}|>|\overline{B}| se obtiene una respuesta a la tensión que oscila cercana a V_{max}, cuya variación se reduce rápidamente al incrementarse N, asimismo V_{max} es el máximo global absoluto de la función de respuesta a la tensión (véase figura 11). El área de medición del filtro superconductor de interferencia cuántica se determina a través de la distancia entre el mínimo global y V_{max}-\DeltaV, asimismo, \DeltaV identifica a la distancia entre el mínimo local menor para |\overline{B}|>|\overline{B}| y V_{max}. El valor |\overline{B}|=0 define, de este modo, el límite inferior del área de medición, y el valor |\overline{B}| en el cual la función de respuesta a la tensión alcanza el valor V_{max}-\DeltaV, define el límite superior |\overline{B}| del área de medición (véase figura 11). La magnitud de \DeltaV depende, a su vez, de la cantidad de las células que posee la red, y de la elección de las áreas de cada célula de red, es decir, de sus relaciones entre sí. Esto se explica en mayor detalle en la descripción teórica del filtro superconductor de interferencia cuántica en el siguiente párrafo.

En las figuras 10b a f están esbozados los modos de ejecución de las redes en las cuales las células de red individuales comprenden, de modo adicional a los dos contactos necesarios para el funcionamiento 103, y acorde a la figura 10a, otro contacto o múltiples otros contactos. Los contactos están identificados, a su vez, con cruces. Las líneas de trazo grueso identifican las uniones superconductoras. Las líneas de trazo fino pueden ser conductoras normales o superconductoras. Los contactos adicionales pueden, a su vez, ser dispuestos en cada célula de red de tal modo que a través de ellas no fluya corriente o sólo fluya una cantidad reducida de la corriente de accionamiento (contactos sin suministro de corriente directo 103a) y en el medio tampoco cae una tensión modificable temporalmente. Por estos modos de ejecución pueden reducirse las corrientes de apantallamiento inducidas por un campo magnético en cada una de las células individuales. Además, de este modo puede reducirse la influencia de las inductividades propias y contrarias. Sin embargo, los contactos adicionales pueden ser dispuestos de tal modo que a través de ellas fluya la corriente de accionamiento I (contactos con suministro de corriente directo 103b). También es posible una combinación de un contacto 103a o de múltiples contactos 103a y un contacto 103b o múltiples contactos 103b en células individuales o en múltiples células de red.

En las figuras 12a a 12c se representa, para una comparación directa, la función de respuesta a la tensión de un SQUID convencional de un solo bucle (figura 12a), un -SQUID convencional de varios bucles con células normales regulares de tamaño idéntico (figura 12b) y un filtro superconductor de interferencia cuántica (figura 12c). Dicho ejemplo del SQUID de un sólo bucle consiste en un solo bucle superconductor o una sola célula superconductora con dos contactos de Josephson, el SQUID de varios bucles, en una disposición en paralelo de SQUIDs idénticos de un solo bucle ("array temporal") con N=30 contactos, y el filtro superconductor de interferencia cuántica también posee N=30 contactos. La corriente de accionamiento I_{0} se seleccionó, para cada una de las tres disposiciones, de tal modo que para |\overline{B}|=0 la corriente por contacto posee el valor 1.1 i_{c}, de modo que la carrera de tensión V_{max}-V_{min} es la misma para cada uno de los tres dispositivos. En la figura 12d está representada nuevamente la función de respuesta a la tensión de un SQUID convencional y de un SQIFS, a partir de un ejemplo de ejecución concreto. Mientras que los SQUIDs de un solo bucle y los SQUIDs de varios bucles presentan una función periódica de respuesta a la tensión \langleV\rangle con el periodo \varphi_{0}, de modo tal que no es posible una medición absoluta del campo magnético, el filtro superconductor de interferencia cuántica plano posee una función de respuesta a la tensión unívoca. Esta función de respuesta a la tensión del SQIF posibilita, de este modo, la medición cuantitativa absoluta del campo magnético. En el ejemplo seleccionado el área de medición se encuentra entre \varphi=0 y \Phi \equiv B_{\perp}\overline{F} \approx0.02\Phi_{0} en el caso de de una superficie de células de red media \overline{F} en el área de mm^{2} estas fuerzas de campos magnéticos entre B\perp=0 y B\perp=10^{-4} T y para \overline{F} en el área de mm^{2} estas fuerzas de campos magnéticos entre B\perp=0 T y B\perp=10^{-10} T. El límite de resolución puede encontrarse, en estos ejemplos, en el área de 10^{-13} T a 10^{-16} T. Utilizando un circuito compensador, con el cual se puede acoplar, de modo controlado, un flujo magnético de una intensidad conocida con el filtro superconductor de interferencia cuántica, se puede variar libremente el área de medición del dispositivo acorde a la invención, conservando la sensibilidad.

La descripción teórica electrotécnica del filtro superconductor de interferencia cuántica puede llevarse a cabo mediante el denominado modelo RCSJ (RCSJ = resistively and capacitively shunted junction, unión derivada resistente y capacitiva) para los contactos de Josephson individuales, bajo consideración de la teoría de red para circuitos superconductores. En el modelo RCSJ, el contactos de Josephson individual es descrito por una inductividad no lineal, la resistencia a la derivación (shunt) óhmica r_{n} y una capacidad de derivación (shunt) geométrica, característica de la barrera de túnel c_{n}, están conectadas en paralelo. La descripción del estado macroscópico de los contactos de Josephson se lleva a cabo a través de una diferencia de la invarianza gauge de las fases de mecánica cuántica macroscópias, en ambos electrodos superconductores opuestos del contacto respectivo. Esta diferencia de fase se denomina \varphi_{j}, en donde j=1...N indiza cada contacto de red. Las relaciones que subyacen a la dinámica de la red son dadas entonces por

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En donde I_{j} designa a la corriente que fluye por el contacto con el índice j con \Sigma^{N}_{j=1}I_{j} = I_{0}, y \varphi_{j}, al flujo magnético que atraviesa la célula de red con el índice j. La ecuación 1 describe la relación no lineal entre la corriente I_{j} y la tensión que cae en el contacto v_{j}(t) en el modelo RCSJ. La ecuación 2 corresponde a la segunda relación de Josephson, según la cual la tensión que cae en el contacto v_{j}(t) es directamente proporcional a la derivación \partial0\varphi_{j} de la diferencia de fase \varphij. La ecuación 3 es la manifestación de la cuantificación del flujo magnético a través de un bucle superconductor cerrado.

A los fines de mantener una simplicidad se presupone en la descripción teórica que los contactos de al red son idénticos, es decir, que tanto las corrientes críticas i_{c} como así también las resistencias de derivación (shunt) conectadas en paralelo r_{n} y las capacidades de derivación (shunt) c_{n} no se dispersan estática o sistemáticamente. La aparición de dispersión de parámetros típicos condicionados por la fabricación restringe la capacidad de funcionamiento del filtro superconductor de interferencia cuántica. La descripción teórica en el marco del modelo RCSJ se limita, además, a los denominados contactos de punta, es decir, a contactos tan pequeños que no varíen las diferencias de fases a lo largo de la dimensión de la barrera de contactos. Esto también se presupone usualmente en el caso de la descripción teórica de SQUIDs convencionales. En el caso de filtros superconductores de interferencia cuántica esta suposición se justifica especialmente, dado que, a diferencia de los SQUIDs convencionales, los modelos de interferencia que se presentan son dominados por la dinámica de la red con el número creciente de células de red, y por ello dependen sólo muy débilmente de la geometría especial de cada contacto.

Las ecuaciones de red derivadas de la conservación de la corriente y de las ecuaciones 1 a 3 ligan el campo magnético \overline{B} que actúa en el lugar de la red y la corriente de accionamiento I_{0} con la tensión V_{(t)} que cae en el circuito. Para campos magnético estáticos, o que varían lentamente en comparación con la frecuencia de red \overline{B} la ecuación de red para el SQIF de este ejemplo de ejecución, y en general, para SQIFs, compuestos por células de red conectadas en paralelo, puede ser escrita como ecuación diferencial no lineal con la forma

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En donde el campo magnético \overline{B} = \overline{B}_{ext} + \overline{B}_{c} está compuesto por el campo exterior por medir \overline{B}_{ext} y, eventualmente, por un campo compensatorio secundario generado de manera controlada \overline{B}_{c}. El factor estructural
100 complejo (i = \sqrt{-1}) Que aparece en la ecuación 4, describe las características geométricas y dinámicas del filtro superconductor de interferencia cuántica compuesto por las células N-1. Determina las características espaciales y temporales de la red, dependiendo de la intensidad del campo magnético por medir. Este desplazamiento de fases \delta_{N} tambiéndepende de la geometría especial de la disposición, pero no influye sobre la función de respuesta a la tensión media temporal \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle.

El factor estructural complejo S_{N}(\overline{B}) se define según

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en donde los vectores \overline{a}_{m} hacen referencia a los elementos de superficie orientados (101 = la normal de la superficie, |\overline{a}_{m}| = área del bucle m) de cada bucle de la red y rige \overline{a}_{0} = 0. Para el flujo magnético que atraviesa cada bucle de la red rige, con ello, \Phi_{m} = \langle\overline{B}, \overline{a}_{m}\rangle, asimismo, para dos vectores elegidos libremente \overline{a}, \overline{b} se define el produc-
to escalar mediante \langle\overline{a}, \overline{b}\rangle = |\overline{a}||\overline{b}| cos<(\overline{a}, \overline{b}). Si varía el campo magnético \overline{B} a lo lardo de la dimensión del bucle, entonces este producto escalar es reemplazado por la representación integral correspondiente. La periodicidad de la red se determina mediante flujos magnéticos acumulados

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con n = 0...N-1.

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Para SQUID de un solo bucle convencionales, en los cuales sólo existe una superficie orientada \overline{a}_{1}, S_{N} adopta, con N = 2, el valor 102 y 103. Para SQUID periódicos planos de varios bucles \overline{a}_{1} = \overline{a}_{2} = \overline{a}_{3} = ... = \overline{a}_{N-1} con superficies de bucle idénticas, \alpha_{n} = n_{\varphi} con \Phi = B_{\perp}|\overline{a}_{1}|, de modo que 104 es una serie geométrica, con el siguiente resultado: 105. Los factores estructurales para ese tipo de SQUIDs convencionales, correspondientes al estado de la técnica actual poseen, por ello, independientemente de la cantidad de contactos, factores estructurales periódicos. Estos factores estructurales periódicos son la causa de las funciones de respuesta a la tensión \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle también estrictamente periódicas \varphi_{0} de este tipo de dispositivos, y por ello, son la causa de que en el estado de la técnica correspondiente a estos dispositivos no es posible una medición absoluta del campo magnético. Los filtros superconductores de interferencia cuántica, por el contrario, no presentan factores estructurales periódicos, dado que S_{N}(\overline{B}), según la ecuación 6, no puede presentar una periodicidad para campos magnéticos \alpha_{n} acumulados de modo inconmensurable. Los filtros superconductores de interferencia cuántica tampoco presenta, por ello, funciones de respuesta a la tensión \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle y por ello posibilitan la medición absoluta de campos magnéticos.

Según la ecuación 3, para los campos exteriores estáticos o con variación lenta, en comparación con la frecuencia de red, rige v_{j}(t)=V_{1}(t) para todos los j = 1 ...N, es decir, v_{1}(t) define la tensión alterna que cae en el filtro superconductor de interferencia cuántica. La frecuencia de red \varphi está relacionada a través de la relación de Einstein
hv = 2e\langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle con el valor temporal medio de esta tensión alterna, la función de respuesta a la tensión
106 en donde rige T = \frac{1}{v}. Para típicos contactos de Josephson Nb/AlO_{x}/Nb la frecuencia de red \varphi se encuentra en aproximadamente 100 GHz, de modo que la frecuencia \varphi_{ext} del campo exterior puede hallarse en un área de entre \varphi_{ext}=0 hasta aproximadamente 20 GHz. Como una magnitud de medición fácilmente accesible puede servir, del mismo modo que en el caso de los SQUID convencionales, la tensión continua \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle que cae en la red en la media temporal. La influencia de las inductividades y de los campos autoconsistentes originados por la corriente de excitación se deja de lado en las ecuaciones 4 y 5, para una mejor comprensión. Las inductividades y los campos autoconsistentes efectivamente pueden ser minimizados en el caso de una configuración adecuada del filtro superconductor de interferencia cuántica, de tal modo que su capacidad de funcionamiento no se vea restringida por estas influencias. Los dispositivos correspondientes son presentados en los demás ejemplos de ejecución.

Dejar de lado las capacidades de derivación c_{n}, hechojustificadopara contactos de Josephson típicos, en muy buena proximidad, posibilita una resolución analítica para la función de respuesta a la tensión:

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Para todos los SQUIDs correspondientes al estado de la técnica actual, esta función de respuesta a la tensión es periódica con el periodo \varphi_{0}, como se esboza en la figura 12a. Para los SQIFs, por el contrario, la función de respuesta a la tensión no es periódica. Esto está representado en la figura 12c. La función de respuesta a la tensión del filtro superconductor de interferencia cuántica posee, al igual que la función de respuesta a la tensión de los SQUIDs convencionales, un mínimo para \varphi=0. A diferencia de los SQUIDs convencionales, sin embargo, este mínimo no se repite en el caso del campo exterior reciente. De este modo la respuesta a la tensión para \varphi=0 está marcada unívocamente y posibilita, según la configuración, la medición cuantitativa absoluta del campo magnético exterior, directamente o mediante un circuito compensatorio adecuado para el campo magnético. Dado que el valor del factor estructural S_{N} en la ecuación 8, entra en forma de cuadrado, sólo oscila ligeramente la función de respuesta a la tensión para los SQIFs en la parte superior de los gráficos alrededor del valor V_{max} y se genera un flanco de gran inclinación entre V_{min} y V_{max} (véase figura 12c).

El factor estructural S_{N}(\overline{B}) del filtro superconductor de interferencia cuántica puede ser optimizado de modo tal que la función de respuesta a la tensión \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle presenta un área de medición máxima 0<|\overline{B}|<|\overline{B}|_{s}. Este es el caso si la distancia \DeltaV entre el mínimo local menor de V y el valor de tensión máximo Vmax para una superficie total determinada 107 (véase también figura 11), y el valor dado de contactos de red N, en el área operativa se minimiza. El área operativa máxima de una red superconductora está determinada, a su vez, por la intensidad del campo compensatorio máxima.

Para las redes planas se puede dar el caso de que se presente una mínima variación en la longitud l_{0} de los circuitos impresos, provocada en el proceso de elaboración. Las áreas |\overline{a}_{m}| de los bucles de la red pueden ser definidas por |\overline{a}_{m}| = q_{m}l^{2}_{0}, en donde los números q_{m} sonnúmeros enteros positivos. En el caso más desfavorable, dos elementos de superficie condicionados desde la fabricación, se podrían diferenciar, de ese modo, sólo por un valor de l^{2}_{0}. Esto produce que el factor estructural S_{N}(\overline{B}), y con él, la función de respuesta a la tensión \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle del filtro superconductor de interferencia cuántica pueda variar periódicamente desde un punto de vista netamente teórico. El posible periodo, es, sin embargo, muy grande en relación a \varphi_{0} y corresponde a 108 siendo GGT el mayor divisor común de los valores |\overline{a}_{m}| del elementos de superficie orientado de una red plana y A_{tot} hace referencia a la superficie total del SQIF, 109. Un valor típico, correspondiente al estado de la técnica, para l_{0} es aproximadamente cien nm (proceso Niob). La diferencia de superficie mínima l^{2}_{0} se encuentra, entonces, en el rango de 10^{-2} \mu m^{2} en el caso de una superficie de células de red convenida del filtro superconductor de interferencia cuántica, de 10^{-2}mm^{2}. Si los números q_{m} mismos no poseen un divisor común, por ejemplo, porque fueron elegidos en función de (diferentes) números primos, entonces está dado el periodo de la función de respuesta a la tensión \frac{\Phi_{0}}{l^{2}_{0}}A_{tot}. Este periodo se encuentra, para típicas superficies totales A_{tot} de múltiples miles de \mu m2 por fuera del área prácticamente relevante operativa y de medición. Para un área operativa dada en una determinada aplicación siempre existe, entonces, un filtro superconductor de interferencia cuántica con superficie, cantidad de contactos, y factor estructural correspondiente, óptimos.

Otro ejemplo de ejecución de la invención está representado en la figura 13. Las células de red se descomponen, en este caso, en tres grupos, de tal modo que se pueda formar una base vectorial completa del espacio tridimensional a partir de los elementos de superficie orientados \overline{a}_{m}. Esta ejecución de la invención, denominada, en adelante, SQIF de vector, presenta la ventaja de que, a través de campos compensatorios correspondientemente configurados, que, por ejemplo, generan, cada uno, un campo secundario controlable paralelo a cada uno de los vectores básicos formados por \overline{a}_{m}, se puede determinar unívocamente y con gran exactitud tanto la intensidad como así también la dirección del campo magnético primario por medir. Esto posibilita una reconstrucción unívoca cuantitativa del vector primario de campo magnético \overline{B}_{ext} según valor, dirección y fase y posibilita múltiples nuevas aplicaciones. Ya con dos disposiciones de ese tipo es posible, por ejemplo, localizar con exactitud las fuentes de un campo magnético y determinar sus fuerzas. Aquí se puede incluir la lectura inalámbrica de campos de detección, si las señales de detección individuales consisten en corrientes eléctricas temporarias. La lectura o el procesamiento de memorias de datos electrónicas o magnéticas también es posible, sin contacto, y prácticamente sin consumo o suministro de energía, a través del SQIF, con una resolución temporal muy elevada, y con ello, una velocidad de procesamiento extremadamente rápida en las áreas de GHz a THz. Otros ejemplos de aplicación de dichos SQIFs de vectores son la medición espacial y temporal de alta resolución de procesos metabólicos, por ejemplo, en el cerebro humano, de señales de resonancia magnética nuclear o de la distribución de campos magnéticos en la corteza superior de la Tierra, por ejemplo, en el caso de la geoexploración. En la figura 13 están simbolizados con cruces los contactos de Josephson, con la referencia 115, las resistencias busbar. Las líneas de trazo grueso identifican las uniones superconductoras. Ambas líneas de trazo grueso 116, 117 limitan, asimismo, la parte de la red unida de modo superconductor.

En un ejemplo de ejecución no representado el SQIF de vector está constituido por tres SQIFs individuales que operan independientemente entre sí, cuya normal de superficie conforma una base vectorial del espacio tridimensional. Este dispositivo presenta la ventaja de que los SQIFs individuales pueden ser realizados sin problema con los métodos estándar de la tecnología de capa fina correspondientes a estado de la técnica actual.

La medición cuantitativa puede llevarse a cabo, en este caso, o bien por compensación simultánea de los tres componentes del campo magnético exterior, como en el ejemplo de ejecución del último párrafo, o a través de la medición directa de la tensión que cae en cada SQIF individual. El último método de medición significa otra ventaja de dichas disposiciones, dado que no son necesarios dispositivos compensatorios.

En otros dos ejemplos de ejecución no representados el SQIF de vector correspondiente al último o anteúltimo párrafo, de modo que las normales de superficie de cada SQIF individual o los elementos de superficie orientados \overline{a}_{m} están dispuestos de tal modo que se puede formar, a partir de ellos, una base vectorial completa de un subespacio bidimensional, del espacio tridimensional. Esta ejecución puede ser ventajosa si el campo magnético sólo debe ser medido en un nivel, por ejemplo, si se trata de un campo de detección o memorias planas.

En la figura 14 está representado un ejemplo de ejecución de un SQIF plano, en el cual el campo compensatorio magnético se genera con dos líneas de mando 118, 119, dispuestas paralelas a la red, y, de este modo, perpendiculares a la dirección de la corriente de accionamiento. Si en dicha disposición, acorde a la invención, fluye una corriente I_{k1}, I_{k2} a través de una o ambas líneas de mando 118, 119, entonces en las células del SQIF se acopla, un flujo magnético de intensidad conocida, que puede ser controlado con exactitud por esta corriente. Este flujo puede compensar el flujo originado por el campo magnético exterior de tal modo que se minimiza la tensión que cae en el SQIF. Este denominado punto de trabajo se encuentra siempre en el mínimo absoluto de la curva de calibración \langleV(\overline{B}; I_{0})\rangle del SQIF. A través del valor de la corriente de compensación puede determinarse directamente la intensidad del campo magnético exterior, dado que se conoce la distancia entre la línea de mando y la red. También es posible la elección de otro punto de trabajo dentro del área de medición del SQIF. Esta ejecución presenta al ventaja de que el área operativa del SQIF, es decir, el área de las fuerzas del campo magnético que pueden ser medidas con el dispositivo, en principio sólo están limitadas, hacia arriba, por las intensidades del campo que destruyen la coherencia de fases entre las áreas superconductoras separadas por las barreras de túnel. Otra ventaja es que, en esta ejecución, los SQIFs pueden ser accionados con una capacidad de funcionamiento completa, aún cuando el área de medición propiamente dicha, es decir, el área en la cual la función de respuesta a la tensión es unívoca, se reduce mucho. Esto puede ocurrir cuando se presentan mínimos secundarios de la función de respuesta a la tensión, originados por las tolerancias condicionadas por la fabricación, cuyos valores de tensión no se distinguen mucho del valor del mínimo absoluto. En tanto el área de medición sea mayor que el límite de resolución del SQIF, que habitualmente se halla en algunos nV, el dispositivo queda, acorde a la invención, en una ejecución con circuito compensatorio, completamente funcional. También es ventajoso que, en una ejecución con línea de mando, sea aplicado el circuito compensatorio on-chip y que no requiera de pasos de elaboración adicionales. Correspondientemente al estado de la técnica actual, las líneas de mando en las estructuras de capa fina pueden ser colocadas en las capas que se hallan por encima o por debajo de las líneas de alimentación de la red. También puede ser ventajosa la colocación de múltiples líneas de mando, por ejemplo, si un campo compensatorio variable temporalmente debe ser superpuesto a un campo compensatorio estático.

Para los modos operativos en los que se utilizan los campos compensatorios variables, los SQIFs deberían alcanzar su máxima sensibilidad. En tales modos también es posible, no sólo la determinación simultánea de la intensidad y la dirección del campo magnético por medir, sino también su posición de fase. Esto permite la reconstrucción completa de la señal modificable temporalmente y con ello, la formulación de una copia idéntica de esta señal. La ventaja de los dispositivos se funda en que tales copias pueden ser amplificadas y transmitidas sin pérdida de información.

En la figura 14 las cruces simbolizan nuevamente los contactos de Josephson. Con la referencia 120 se identifican simbólicamente las resistencias busbar representadas. La línea de puntos describe la limitación de la parte necesariamente superconductora de la red.

En una ejecución no representada, para mediciones de precisión, el circuito compensador está dispuesto fuera del SQIF, y consiste en un par de bobinas orientado de tal modo que el SQIF se encuentra en un nivel perpendicular al eje del par de bobinas, entre ambas bobinas. Este tipo de circuitos compensadores pueden tener la ventaja de que el campo compensador magnético en el lugar del SQIF presenta una homogeneidad muy elevada y por ello posibilita una medición muy precisa. También las ejecuciones en las que se compensa localmente, es decir, a través de líneas de mando, y a través de circuitos compensadores dispuestos fuera del SQIF, pueden ser ventajosas para minimizar la influencia de las fallas, por ejemplo, el ruido y las fluctuaciones. Los SQIFs que cuentan con circuitos compensatorios, por ejemplo, en forma de líneas de mando, también pueden ser utilizados como componentes lógicos (actores) para ordenadores de alto rendimiento ultrarrápidos. Los SQIFs con dos líneas de mando locales pueden utilizarse como componentes lógicos "O" ("OR"), qué sólo conmutan cuando por ambas líneas de mando fluye exactamente la misma corriente paralela. Los tiempos de conmutación de tales actores se hallan en el área de la frecuencia de red, es decir, en el área de GHz a THz. Una ventaja de dichos componentes lógicos también se funda en que actúan, al mismo tiempo, como amplificadores, dado que ya corrientes de mando muy pequeñas producen una respuesta a la tensión máxima, que es, para los contactos de Josephson habituales en la actualidad, más de cientos de \muV hasta mV.

A través de la conexión en serie de los SQIFs, como está representado en la figura 15, acoplados entre sí por una línea de mando activa 121, que contiene, a su vez, contactos de Josephson, se puede multiplicar la sensibilidad o el factor de amplificación de la distribución acorde a la invención. las cruces simbolizan los contactos de Josephson. Con la referencia 122 se identifican simbólicamente las resistencias busbar representadas. Las líneas de trazo grueso dentro de la red representan las uniones superconductoras y simbolizan el área superconductora 123, que también contiene a los contactos de Josephson.

La línea de mando activa 121 provoca, a su vez, una sincronización del conjunto de antenas del SQIF unidimensional, aún en el caso de factores estructurales de los diferentes segmentos del SQIF con una fuerte desviación, e inhomogeneidades de parámetros. Si las tolerancias de fabricación son pequeñas, eventualmente también se puede prescindir de una línea de mando activa. La ventaja de dichos conjuntos de antenas de SQIF, que también pueden estar configurados de manera bidimensional, se basa en que el límite de resolución del dispositivo decrece con el número de los segmentos del SQIF 123 y el factor de amplificación aumenta con el número de los segmentos del SQIF. En el área de la medición de campos magnéticos, con tales disposiciones, se deben poder alcanzar, eligiendo correctamente el modo operativo, por ejemplo, los límites de resolución, que son varias veces menores que en el caso de los sistemas SQUID convencionales. También los conjuntos de antenas del SQIF se pueden fabricar sin problemas con los procedimientos de elaboración correspondientes al estado de la técnica.

En la figura 16 se muestra un ejemplo de ejecución en el cual varios segmentos del SQIF 124 están conectados en un conjunto de antenas del SQIF jerárquico. Los elemento base de tal conjunto de antenas del SQIF son, en este caso, SQIFs 124 básicos idénticos con un factor estructural idéntico. Estos SQIFs básicos están dispuestos, en un segundo nivel jerárquico, a su vez, en forma de un SQIF 125, que sirve, nuevamente, como SQIF básico 125 para un tercer nivel jerárquico. También son posibles las disposiciones con más de tres niveles jerárquicos (k=1, 2,
3, ...). La ventaja de tales disposiciones se basa en que, según las relaciones de los elementos de superficie orientados del SQIF básico y del, o de los, SQIFs de niveles jerárquicos superiores, condicionado por, en general, diferentes factores estructurales en diferentes niveles, los modelos de interferencia generados en los diferentes niveles, a su vez, interfieren formando un modelo global, lo cual posibilita una resolución extremadamente alta. Dado que los elementos de superficie orientados \overline{a}_{m} pueden estar alineados de manera diferente en los niveles jerárquicos diferentes, el modelo de interferencia resultante es, además, extremadamente sensible respecto de la dirección del campo exterior. Acorde al estado de la técnica de fabricación actual, dichos sistemas SQIF configurados de modo multidimensional n pueden realizarse on-chip. Pero es posible fabricar los diferentes componentes planos de un sistema SQIF multidimensional con métodos convencionales de la tecnología de capa fina, y unirlos luego con cables superconductores twisted-pair de tal modo que se genere todo un sistema completo del modo descrito. Este tipo de cables superconductores twisted-pair poseen la ventaja de que no ingresa en ellos un flujo efectivo. La unión de diferentes partes de un sistema SQIF con tales cables superconductores twisted-pair no influyen, en la capacidad de funcionamiento de todo el SQIF, porque en la ecuación 6 el cable sólo ingresa como elemento de superficie orientado superficies tan pequeñas que desaparecen.

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En la figura 17 se muestra un ejemplo de ejecución de un SQIF que muestra de qué modo se pueden minimizar efectivamente los acoplamientos inductivos efectivos entre las diferentes células de red. Este tipo de acoples inductivos pueden reducir la sensibilidad del dispositivo, si la red está formada por muchas células. Dado que a través de cada contacto fluye una corriente supercrítica, la distribución de la corriente resultante genera, en este caso, un campo autoconsistente, que puede ser eventualmente despreciado. Mediante ejecuciones acordes a la invención, como, por ejemplo, las representadas en la figura 17b, se puede reducir notablemente la influencia de los campos autoconsistentes. En las figuras 17a y 17b los circuitos impresos de las células de red 126, 127 están constituidos de tal modo que la corriente que fluye a través de un contacto de red 128 induce en la célula respectivamente secundaria sólo un flujo despreciable, dado que el campo magnético de un segmento corto, atravesado por la corriente está restringido, esencialmente, a un área perpendicular al segmento. Dado que para \varphi=0 por cada contacto fluye una corriente de la misma intensidad, desaparecen, en este caso, todas las inductividades, y el mínimo global de la función de respuesta a la tensión corresponde al acorde a la ecuación 8. Para minimizar los campos autoconsistentes de las líneas de alimentación y de descarga, la corriente de excitación I_{0} es suministrada y descargada por las resistencias busbar 129 correspondientes al estado de la técnica, cuya distancia hasta la red puede ser elegida lo suficientemente grande. En la figura 17c está representada una ejecución alternativa de un SQIF que también minimiza las influencias mutuas inductivas.

Un ejemplo de ejecución en el cual las diferentes células de red están conectadas en seria, está representado en la figura 18a. Los elementos de superficie orientados \overline{a}_{m} también en este caso están seleccionados de tal modo que la función de respuesta a la tensión de la red no es periódica o sólo posee un periodo muy grande en comparación con \varphi0. En el caso de una función de respuesta a la tensión no periódica se encuentra exactamente en \overline{B} = 0 el mínimo global absoluto de esta función de respuesta a la tensión. En la figura 18b está representada una típica función de respuesta a la tensión de una conexión en serie para N =100 células de red a_{1} a a_{100} y un periodo muy grande.

Este tipo de ejecuciones presentan la ventaja de que, condicionados por la conexión en serie, se adicionan las funciones de respuesta a la tensión de cada célula de red. Por ello se genera un filtro de interferencia cuántica con una carrera de tensión muy grande, que pueden alcanzar el área de múltiples mV o incluso, V. Pero, a diferencia de la conexión en paralelo no se obtiene, en este caso, una reducción del ancho de la función de respuesta a la tensión (variancia) en \overline{B} = 0, en comparación con los SQUIDs convencionales de dos contactos. Dado que, sin embargo, la distancia de los bucles adyacentes en las disposiciones en pueden ser elegidas libremente, sin afectar las condiciones de interferencia cuántica, con tales disposiciones pueden ser minimizadas las inductividades parásitas mutuas. Además, las conexiones en serie pueden presentar ventajas condicionadas técnicamente por la fabricación. Es especialmente posible una elevada densidad de componentes, lo cual puede ser muy ventajoso en la integración de los circuitos en un chip.

La descripción teórica de los SQIFs en serie puede llevarse a cabo con la ecuación 8, dado que un SQIF en serie representa la realización más simple de un conjunto de antenas bidimensional del SQIF. Para contactos de red idénticos, la tensión continua media que cae en una sola célula de red para una corriente de excitación supercrítica I_{0}>2i_{c} está dada por

9

En donde rige \Phi_{n} = \langle\overline{B}, \overline{a}_{n}\rangle. La tensión continua media <V> que cae en todo el conjunto de antenas en serie se obtiene del siguiente modo

10

Aunque, condicionado por la disposición en serie de las células de red \overline{a}_{n} no se pueda definir directamente un factor estructural, como para la disposición en paralelo, mediante la elección correspondiente de la secuencia {\overline{a}_{n}} también en este caso es posible regular el desarrollo de la función de respuesta a la tensión y, especialmente, el área operativa y de medición.

En el ejemplo de ejecución de la figura 18b, por ejemplo, se seleccionaron los elementos de superficie orientados \overline{a}_{n} en una suposición en serie plana, correspondientemente a la relación aritmética

11

en donde rige a_{n} = |\overline{a}_{n}| y \alpha_{N} hace referencia a la superficie mayor del SQIF en serie con N células de red y 2N contactos. Dicha elección presenta, por ejemplo, la ventaja de que el máximo de la función de respuesta a la tensión sigue directamente al mínimo (véase figura 18b), y de ese modo la carrera de tensión se maximiza.

En la figura 18a está representado esquemáticamente, junto con el SQIF en serie, un típico circuito de acople y de mando. En al configuración correspondiente se genera, mediante la corriente compensadora I_{comp}, un campo compensador magnético en el lugar de cada célula de red, que compensa un campo exterior y/o el campo generado por la corriente I_{inp}. Esto posibilita el accionamiento del SQIF en el modo cero, extremadamente sensible. La corriente I_{inp} es, a su vez, por ejemplo, la corriente de input de un pick-up-loop o de otra fuente de señal.

Por ello, los SQIFs en serie también pueden ser muy ventajosos, porque el ruido propio del circuito, por ejemplo, en el caso de su utilización como amplificador (de corriente), sólo se incrementa proporcionalmente a, mientras que la carrera de tensión se incrementa proporcionalmente a \sqrt{N}. Este caso se da, dado que el ruido de tensión de las diferentes células de tensión, o los contactos de Josephson en dichas células no es correlativo (acoplamiento de corriente pura), y por ellos sólo se superponen de modo incoherente. Con los SQIFs en serie o los conjuntos de antenas de SQIF se pueden llevar a cabo, de ese modo, por ejemplo, amplificadores con un ruido extremadamente bajo. Una típica curva característica corriente-tensión de dicho componente del amplificador, que puede realizarse a través de un SQIF, está representado en la figura 18c. Según la configuración del SQIF, en este modo operativo también pueden ser detectadas o amplificadas corrientes muy pequeñas (<10^{-12}A). Otras ventajas de este tipo de componentes del amplificador son los tiempos muy rápidos de conexión y su aplicación también en frecuencias muy elevadas.

Las propiedades de periodicidad de la función de respuesta a la tensión son una características fundamentales de los SQIFs. El espectro de frecuencia de la función de respuesta a la tensión de SQIFs respecto del flujo magnético se distingue, por ello, unívocamente de los interferómetros de SQUIDs convencionales. Esta circunstancia está representada en las figuras 19a a 19d, a partir de espectros de frecuencia típicos de SQUIDs (figuras 19a y 19b) y de SQIFs (figuras 19c y 19d).

La figura 19a muestra, en la imagen superior, la típica función de respuesta a la tensión de un SQUID. La curva <V(\varphi)> es periódica con el periodo \varphi_{0}. El correspondiente espectro de frecuencia en la imagen inferior de la figura 19a muestra, correspondientemente, una amplitud dominante de 1/\varphi_{0}. Dado que la función de respuesta a la tensión de un SQUID no es armónica (véase G1.8), se presentan, adicionalmente, modos armónicos más elevados de 2\varphi_{0} y 3\varphi_{0}, que, sin embargo, presentan una amplitud muy pequeña. El espectro de frecuencia de SQUIDs convencionales es dominado, por ello, por el aporte periódico \varphi_{0}. Como se muestra en la figura 19b, esto también ocurre en las disposiciones de varios bucles, constituidas por células de red idénticas, a saber, independientemente de si se trata de una disposición en serie una disposición en paralelo de bucles de SQUID. También en el caso de imperfecciones de parámetros o de imperfecciones geométricas los interferómetros cuánticos acordes al estado de la técnica muestran siempre un espectro de frecuencia discreto, dominado por el aporte periódico \varphi_{0}. En el caso de imperfecciones sólo puede presentarse adicionalmente un espectro continuo adicional, que proviene de las imperfecciones y depende del tipo de imperfecciones.

Los filtros de interferencia cuántica, por el contrario, no poseen un aporte periódico dominante \varphi_{0} en el espectro de frecuencia de sus funciones de respuesta a la tensión. Esta circunstancia está representada en las figuras 19c y 19d. Los espectros de frecuencia en las figuras 19a a 19c (imágenes inferiores) están aplicados en cualquiera de las mismas unidades iguales, de modo que es posible una comparación directa. La respuesta a la tensión y el espectro de frecuencia correspondiente, de un espectro de frecuencia que no posee periodicidad, están representados en la figura 19c. El espectro es prácticamente continuo, no existe un espectro discreto. Sobre todo, no existe un aporte periódico significativo \varphi_{0}. Las amplitudes del espectro prácticamente continuo son dos veces o una vez menores que las de las disposiciones convencionales acordes a la figura 19a o 19b. En la figura 19d se muestra la función de respuesta a la tensión y el espectro correspondiente de un filtro de interferencia cuántica, que posee una periodicidad condicionada técnicamente. La función de respuesta a la tensión posee la característica de que su periodo es mucho mayor que \varphi_{0} y el espectro de frecuencia posee una cantidad discreta con una amplitud muy reducida en el caso del periodo \varphi_{0}. Esta amplitud en el periodo \varphi_{0} no es significativa y en todo caso no es un aporte significativo dominante al espectro de frecuencia. El espectro discreto está, a su vez, caracterizado porque sus amplitudes son una a dos veces menores en comparación con las disposiciones convencionales.

Los espectros de frecuencia del filtro de interferencia cuántica son robustos en lo que respecta al aporte periódico \varphi_{0} del espectro de frecuencia. Las imperfecciones de los parámetros o las imperfecciones geométricas no modifican las características cualitativas de las disposiciones mencionadas anteriormente.

En la figura 20 está representado esquemáticamente un ejemplo de ejecución de un SQIF plano 130, provisto de un bucle de acople (pick-up-loop) superconductor. Este tipo de bucles de acople refuerzan el campo magnético primario, eliminando hacia fuera el flujo generado por este campo en su interior. Este tipo de dispositivos presentan la ventaja de que a través de la disposición adecuada se puede reforzar bastante el campo magnético primario en el lugar del SQIF. Otra ventaja de los SQIFs consiste en que la superficie total de los SQIFs puede ser dispuesta de modo tal que se minimice la inadaptación de impedancia entre el pick-up-loop y el SQIF. La sensibilidad y la resolución de los SQIFs pueden incrementarse notablemente mediante dichos dispositivos. En lugar de un pick-up-loop también pueden utilizarse superficies superconductoras (los denominados washers), que también generan las ventajas mencionadas. También es posible el acople de un bucle de un gradiómetro, y produce las ventajas mencionadas durante la medición de gradientes del campo magnético. En el caso de la detección de campos electromagnéticos modificables temporalmente también son ventajosos los bucles de acople superconductores configurados adecuadamente, dado que pueden servir, al mismo tiempo, como antenas de recepción.

Claims

1. Antena (60) para ondas electromagnéticas de alta frecuencia, que consisten en un circuito eléctrico conductora normal y/o superconductor a de, al menos, un transistor idóneo para bajas temperaturas (52) y estructuras primarias de antenas, medios (61) para la alimentación del circuito con energía eléctrica, medios para la alimentación del circuito con una corriente de control y/o una tensión de control, medios para la derivación de una onda electromagnética del circuito, caracterizada por un refrigerador activo, que, puede extraer calor, al menos, de una parte del circuito durante el funcionamiento, y un frasco de vacío (57), que contiene, al menos, una parte del circuito y de la estructura primaria de antenas y con el cual esta parte puede ser aislada térmicamente del entorno, asimismo, el transistor actúa como componente activo, el frasco de vacío contiene al dedo de refrigeración (58) del refrigerador activo, el dedo de refrigeración está acoplado térmicamente a, al menos, a una terminación de conductor hueco conductora normal y/o superconductora de la estructura primaria de antenas, el componente activo está acoplado térmicamente al dedo de refrigeración, el componente activo está acoplado electromagnéticamente a la terminación del conductor hueco, el frasco de vacío presenta una ventana permeable (59) para ondas electromagnéticas y está configurada geométricamente de modo tal que puede suministrarse una onda electromagnética a la terminación del conductor hueco, y el refrigerador activo está concebido para refrigerar, al menos, una parte del circuito hasta alcanzar una temperatura comparativamente baja de, por ejemplo, 150 Kelvin.

2. Antena acorde a la reivindicación 1, caracterizada porque un circuito eléctrico conductor normal y/o superconductor está provisto de, al menos, un filtro superconductor de interferencia cuántica (51), que comprende células cerradas superconductoras que conforman un bucle de corriente (107, 113, 107a, 114a), que contienen, cada una, múltiples, preferentemente dos, contactos de Josephson (103, 104), asimismo, al menos tres de estas células están en unión superconductora y/o no superconductora, los contactos de las, al menos, tres células pueden ser alimentados con corriente de modo tal que en, al menos, dos contactos de cada célula, cae una tensión modificable temporalmente, cuyo elemento temporal no desaparece, las al menos tres células están configuradas geométricamente diferentes, de modo que en el caso de la presencia de un campo magnético, los flujos magnéticos incluidos en las células se diferencian de tal modo que el espectro de frecuencia de la función de respuesta a la tensión no presenta una parte periódica de \varphi_{0} respecto del flujo magnético, o que, en caso de que exista un espectro de frecuencia discreto, el aporte de la parte periódica de \varphi_{0} del espectro de frecuencia discreto no es dominante en comparación con las partes no periódicas del \varphi_{0} del espectro de frecuencia discreto, asimismo, el filtro superconductor de interferencia cuántica y el transistor actúan como componentes activos, los componentes activos están acoplados térmicamente al dedo de refrigeración y, al menos, un componente activo está acoplado electromagnéticamente a la terminación del
conductor hueco.

3. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque una parte de la estructura primaria de antenas consiste en una terminación del conductor hueco, en la cual entra, al menos, un elemento de antena longitudinal, por ejemplo, una varilla de antena (54), aislada eléctricamente del conductor hueco y el, al menos, único elemento de antena está unido eléctricamente con la entrada de, al menos, un componente activo, y el circuito contiene múltiples elementos constitutivo activos, conectados uno tras otro, y la terminación del conductor hueco y la parte del circuito que contiene componentes activos se encuentran en un recipiente evacuable, y se les puede extraer calor a la terminación del conductor hueco y a la parte del circuito que contiene componentes activos.

4. Dispositivo acorde a la reivindicación 3, caracterizado porque en la terminación del conductor hueco ingresan dos elementos de antena, dispuestos desplazados entre sí y que están unidos eléctricamente de manera individual con la entrada de un componente activo, de modo que se pueden derivar dos polarizaciones independientes de la terminación del conductor hueco.

5. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una parte de las estructuras primarias de antenas consiste, al menos, en una de las siguientes estructuras:

-: un campo de antenas de apertura (63) conductoras normales y/o superconductoras,

-: un campo de antenas patch (66) conductoras normales y/o superconductoras,

-: una o múltiples lentes electromagnéticas (59),

-: una o múltiples antenas de cuerno (60) o

-: una o múltiples antenas parabólicas (64),

cuya señal de salida, está concentrada a través de una estructura del conductor hueco y/o una estructura conductora normal y/o superconductora, y está acoplada a, al menos, uno de los componentes activos.

6. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 5, caracterizado porque los mismos electrodos del filtro superconductor de interferencia cuántica están configurados como la estructura primaria de antenas.

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7. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 6, caracterizado porque el filtro superconductor de interferencia cuántica está provisto de un transformador de impedancia, que transforma la impedancia del filtro superconductor de interferencia cuántica en la impedancia de un guíaondas conectado o de un consumidor conectado.

8. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 7, caracterizado porque el filtro superconductor de interferencia cuántica es accionado de modo tal que aquella parte oscilante rápidamente, acorde a la relación de Josephson, de la tensión eléctrica que cae en el filtro superconductor de interferencia cuántica, se bloquea en la frecuencia portante de la onda electromagnética incidente, de modo que la tensión que cae en el filtro superconductor de interferencia cuántica contiene la señal demodulada en frecuencia de la onda electromagnética.

9. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 8, caracterizado porque el filtro superconductor de interferencia cuántica y la estructura primaria de antenas están colocados en un portador común.

10. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 9, caracterizado porque el filtro superconductor de interferencia cuántica y la estructura primaria de antenas están colocados en portadores separados.

11. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 10, caracterizado porque el filtro superconductor de interferencia cuántica está colocado en un portador, y la estructura primaria de antenas está colocada en otro portador, y ambos portadores se encuentran superpuestos.

12. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 11, caracterizado porque el filtro superconductor de interferencia cuántica está constituido por contactos de Josephson de frontera de grano y los electrodos consisten en superconductores de alta temperatura.

13. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura primaria de antenas consiste en superconductores de alta temperatura.

14. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la antena se encuentra sobre un chip colocado sobre el dedo de refrigeración del refrigerador activo, y la señal de la antena se deriva, con un guíaondas mal conductor de calor, del chip de antena mencionado.

15. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 14, caracterizado porque la corriente de servicio del filtro superconductor de interferencia cuántica es suministrada y evacuada a través del guíaondas.

16. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura primaria de antenas consiste en una varilla de antena o en un campo de varillas de antena u otro conductor eléctrico cuya longitud o dimensiones se encuentran en el área de media longitud de onda de la onda electromagnética incidente.

17. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura primaria de antenas consiste en una antena de bucle o en un campo de antenas de bucle cerradas o no cerradas.

18. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura primaria de antenas consiste en una o múltiples antenas eléctricas pequeñas.

19. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura primaria de antenas también consiste en, o consiste exclusivamente en, materiales dieléctricos.

20. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la antena es accionada en una cavidad de resonancia, que posee, en el punto más conveniente, una abertura para la onda electromagnética incidente directa o indirectamente.

21. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura primaria de antenas está provista de elementos de filtro adicionales, de modo tal que se seleccionan una o múltiples bandas de frecuencia.

22. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la antena contiene componentes electrónicos adicionales, especialmente, resistencias eléctricas, condensadores, bobinas, componentes de filtros, transistores o amplificadores electrónicos.

23. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la antena se coloca sobre un sustrato según la técnica de guíaondas de microbanda, de modo que una placa base conductora eléctrica conforma el contraelectrodo.

24. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 24, caracterizado porque la antena está provista de un mando retroactivo electrónico, que le acopla retroactivamente la señal de salida del filtro superconductor de interferencia cuántica.

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25. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones anteriores 2 a 24, caracterizado porque el filtro superconductor de interferencia cuántica de la estructura primaria de antenas aplica una tensión modificable temporalmente, de modo que, en la estructura primaria de antenas, fluya una corriente de antenas modificable temporalmente y la estructura primaria de antenas irradie una onda electromagnética.

26. Campo de antenas con dos o más antenas acorde a una de las reivindicaciones anteriores.

27. Campo de antenas acorde a la reivindicación 26, caracterizado porque están previstos elementos con los cuales se pueden superponer, de manera sensible a las fases, las señales de las antenas dispuestas, formando una señal global.