JP2019534577A - 超伝導デバイス - Google Patents

Abstract

量子干渉デバイスは、間隙により不連続とされた超伝導ループと、間隙を橋渡しする複数の常伝導体セグメントと、常伝導体セグメントに接続された干渉計とを備え、常伝導体セグメントが離隔されている。同じ長さのもの、および一様に離隔されたものであり得る２Ｎ＋１個の常伝導体セグメントが存在し得、Ｎは正の整数である。デバイスは、従来の量子干渉デバイスより大きな信号を生成する。【選択図】図４

Description

本発明は、超伝導デバイスに関し、特に、磁場に対する感度が改善された超伝導デバイスに関する。

束センサー、トランジスタ、または量子ビットとして使用され得る様々な量子干渉デバイスが、ＷＯ２０１２／００７７３６Ａ１において開示される。デバイスの２つの例が、本明細書に添付される図１および図２に示されている。

図１に示すデバイスにおいて、量子干渉デバイス５０は、接合部５３、５４において超伝導ループ５１に接続した常伝導体セグメント５２により割り込まれた（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ）超伝導ループ５１を備える。２分岐１０干渉計５５が、常伝導体セグメント５２に接続されている。２つの分岐５５ａ、５５ｂが、常伝導体セグメント５２の中点に接続されて十字を形成している。

干渉計の第１の分岐５５ａは、常伝導体セグメント５２から常リード５７、５８を分離する障壁５６を含む。干渉計の第２の分岐５５ｂは、常伝導体セグメント５２と超伝導リード６０、６１とにつながった常突起５９を備える。干渉計５５を通して電流が流されたとき、準粒子が、常：超伝導界面５３、５４で反射される（アンドレーエフ反射）。超伝導ループ５１を通る束（ｆｌｕｘ）は、界面５３と５４との間における位相差に影響を与えるので、２つの境界により反射された電子間に量子干渉をもたらす。従って、干渉計５５を通る電流Ｉは、束Φに対して感受性をもつ。

図２に示す派生例において、干渉計をトランジスタに変換する、さらなる電流リード６２、６３が提供される。干渉計にわたる電気コンダクタンスは、超伝導ワイヤにおけるバイアス電流Ｉ_ｂにより制御される。

改善された量子干渉デバイスを提供することが本発明の目的である。

本発明によると、間隙により不連続とされた（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ、割り込まれた）超伝導ループと、間隙を橋渡しする複数の常伝導体セグメントと、常伝導体セグメントに接続された干渉計とを備え、常伝導体セグメントが離隔された、量子干渉デバイスが提供される。

本発明によると、不完全な超伝導ループと、超伝導ループの端部から並列（平行）に延びた分岐のペアと分岐間を橋渡しする複数の常伝導体セグメントと、常伝導体セグメントの中点に接続された常伝導交差体（ｃｒｏｓｓｐｉｅｃｅ）と、を備える、量子干渉デバイスがさらに提供される。

本発明によると、上述のように複数の量子干渉デバイスを備え、量子干渉デバイスの干渉計が、直列接続された、複合デバイスがさらに提供される。

複合デバイスの一実施形態において、量子干渉デバイスの超伝導ループが、円の一部に適合している。

本発明の例示的な実施形態が、添付図面を参照しながら以下でさらに説明される。

当技術分野において知られた量子干渉デバイスを示す。 当技術分野において知られた別の量子干渉デバイスを示す。 本発明の実施形態による量子干渉デバイスを概略的に示す。 図３に示すデバイスの一部の拡大図である。 本発明の第２の実施形態による量子干渉デバイスを概略的に示す。 本発明の第３の実施形態による量子干渉デバイスを概略的に示す。 本発明の第４の実施形態による複合量子干渉デバイスを概略的に示す。

様々な図面において、同様の部分が同様の参照符号により示される。

本発明に従った量子干渉デバイスは例えば、磁場（または束）センサー、トランジスタ、量子ビット、または量子ビットのための読み取りデバイスとして、様々な目的のために使用され得る。量子干渉デバイスは、超伝導ループを通して結合された束に従って変動する干渉計交差体の非一定の抵抗の形態で信号を生成する。本発明は、信号の大きさ、および、望ましくは信号対ノイズ比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が大きくされる量子干渉デバイスを提供することを目的とする。

例えば束センサーまたは磁気計として使用可能な、改善された量子干渉デバイス１５０が図３および図４に概略的に示される。図４は、図３の一部の拡大図である。量子干渉デバイス１５０は、複数の常伝導体セグメント１５２−１から１５２−ｎにより橋渡しされた間隙を含む超伝導ループ１５１を備える。望ましくは２Ｎ＋１個の常伝導体セグメントが存在し、Ｎは正の整数である。超伝導ループ１５１および常伝導体セグメント１５２は、任意の適切な超伝導材料および常伝導材料から作られ得る。このようなデバイスの超伝導部分は、例えばアルミニウム（Ａｌ）またはニオブ（Ｎｂ）から作られる。Ａｌの自然酸化はパッシベーション層を形成するが、Ｎｂは、より高い臨界温度Ｔｃをもつので、Ａｌが有益である。デバイスの常伝導部分は、例えば銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カーボンナノチューブ、またはグラフェンから構築され得る。

常：超伝導接合部１５３、１５４は、常伝導体セグメント１５２の端部に形成されている。交差体１５５は、干渉計を形成するために、常伝導体セグメント１５２の中点において接続されている。交差体１５５は、望ましくは常伝導体セグメント１５２と同じ材料により、常伝導体セグメント１５２と同時に形成される。束Φが超伝導ループ１５１に印加されたとき、交差体１５５の実効抵抗が超伝導体ループ１５１を通る束Φに周期的に依存するように、接合部１５３、１５４において反射された電子間に量子干渉が発生する。

束を測定するために量子干渉デバイス１５０を使用することに対する従来のアプローチは、交差体１５５を通して知られた電流を印加して、交差体にかかる結果として得られる電圧を測定することである。超伝導ループ１５１を通る束Φが変化するにつれて、それが交差体の抵抗における周期的な変化をもたらし、交差体を通る固定の電流に対して、交差体にかかる電圧の周期的な変化をもたらす。抵抗の変動は交差体の全抵抗の数パーセントだけであり得るので、非振動電圧に重ね合わされた周期的な電圧変化、量子振動の相対振幅は同様に小さなものであり得る。従って、束の変化によりもたらされる電圧振動は、特に、小さな束変化の場合は、測定することが困難である、複数の常セグメント１５２−１から１５２−ｎの使用は、後述のように、抵抗の変動の大きさを大きくする。

常伝導体セグメント１５２−（２Ｎ＋１）のうちの中央のものは、本明細書において、交差体１５５とともにマスター十字を形成するマスター常セグメントと呼ばれる。超伝導体ループ１５１とマスター常セグメント１５２−ｃとにより形成されたループは、本明細書において主ループと呼ばれる。主ループにより囲まれた面積はＳである。従って、主ループに結び付けられた束ΦはＢＳであり、ここで、Ｂは主ループを通る磁場である。この実施形態において、常伝導体セグメント１５２は、一様に離隔されており、２つの隣接したセグメント１５２間の面積はｓである。一実施形態において、常伝導体セグメント１５２は、異なる長さおよび／または異なる間隔をもち得る。常伝導体セグメント１５２を幾何学的に平行にすることが多くの場合に利便性が高いが、常伝導体セグメント１５２は幾何学的に平行である必要はない。

中央（マスター）常セグメントの上方の常伝導体セグメントは、主ループ内にあるので、中央（マスター）常セグメントの上方の常伝導体セグメントは、マスターセグメントより小さな面積を囲み、その面積は、マスター常セグメントからのそれらの距離に依存する。中央（マスター）常セグメントの下方の常伝導体セグメントは、主ループの外側にあるので、中央（マスター）常セグメントの下方の常伝導体セグメントは、マスターセグメントより広い面積を囲む。奇数個の常セグメントが存在することが後述の分析を簡略化するが、奇数個の常セグメントが存在することが必要なわけではないことに留意されたい。

量子干渉デバイスの出力信号は、

により与えられ、この式は、

に簡略化され得る。

さらなる常伝導体セグメント（すなわちＮ＝０）が存在しない場合、式（２）は、標準的な干渉計の式、すなわち、

に簡略化されることが理解され得る。

Ｎ＞１の場合、式（２）の第１項は、マスター十字における標準的な周期振動を記述し、第２項は、超伝導分岐間における複数の常伝導体セグメント１５２内におけるフラウンホーファー干渉により変調されたさらなる十字（ｅｘｔｒａ ｃｒｏｓｓ）の振動に対する寄与に起因したブースター効果を記述する。フラウンホーファーエンベロープは、Ｂ＝０において最大値をとり、Ｎおよびｓの増加にともなってより狭くなるので、次の条件、すなわち、

が満たされた場合、出力信号が最大の増加を示すので、

となり、次式が得られる。

信号の増大がノイズの増大より大きいことが望ましい。量子干渉デバイスの主なノイズ源は、ジョンソン−ナイキストノイズである。各十字の縦分岐と水平分岐との両方からのノイズに対する寄与が存在する。

各十字の縦分岐が抵抗ｒ_Ｖをもつ場合、縦分岐（交差体１５５）からの総ノイズ寄与は、次のとおりである。

十字の数が増えるにつれて、ノイズが

で変化するのに対し、信号はＮで変化する。

各水平分岐における電流ノイズｉ_ｎＨは、次式により与えられる。

これは、各分岐に対する束ノイズ、すなわち、

を生成し、Ｌは、主ループのインダクタンスである。

超伝導：常：超伝導要素は、並列接続されている。要素が無相関である場合、Ｎ個の十字のジョンソン−ナイキストノイズに対する総寄与は、およそ

となる。

この束ノイズは、出力信号内に電圧ノイズを生成する。

式中、

は、量子干渉デバイスの束から電圧への伝達である。

上述の説明は、常伝導セグメントが一つの超伝導ループに接続されている場合に適用されるが、必ずしもこのことが必要なわけではない。概括的な例では、本発明の一実施形態は、それ自体の十字の集合に各々が接続された、異なる面積Ａ_ｍをもつＭ個のループを含み得る。従って、量子干渉デバイスからの出力信号ΔＲ_Ｍは、

であり、すなわち、出力は、振幅γ_ｍと、ループ面積Ａ_ｍに比例した期間とを使用した、一連の余弦関数の和である。超伝導：常：超伝導接合部の長さを変更することにより各十字に対するγ_ｋを設定し得、それぞれの超伝導ループの面積Ａ_ｍを変えることにより、振動の周期を設定し得る。

従って、場の関数としての出力が任意の関数であって、その関数のフーリエ級数が余弦項のみを含む、その任意の関数の形態を取り得る量子干渉デバイスを構築することが可能である。デバイスは、測定された場に対するフーリエ分析器とみなされ得る。

本発明の複数の常伝導セグメントの配置が、様々な形態の量子干渉デバイスに適用され得る。このような量子干渉デバイス２５０の一例が、図５に概略的に示される。量子干渉デバイス２５０は、例えば、束センサーまたは磁気計として使用可能である。量子干渉デバイス２５０は、間隙により不連続とされた超伝導ループ２５１を含む。複数の常伝導体セグメント２５２は、間隙を橋渡しする。交差体２５５は、干渉計を形成するために常伝導体セグメント２５２の中央に接続されている。読み取りリード２５６、２５７が、交差体２５５の端部に接続されている。

図５に示されるように、超伝導ループ２５１は、複数の入れ子ループを含むコイルの形態で提供される。図中、２つのループのみが示されるが、一実施形態は、必要な数のループを含み得、および／または、利用可能な空間内に収容され得る。ループは、同心であり得るが、必ずそうである必要はない。ループはすべて、共通エリアを囲む。より多くの束のリンクに起因して、変化する束により誘起される量子抵抗振動の周波数は、各ループの面積の差を修正した後、超伝導ループ２５１のループ数に概ね比例する。これは、デバイスの感度（伝達関数）を向上させる。超伝導ループ２５１が電気的接触なしでそれ自体に交差することを可能にするために、絶縁スペーサ２５３が提供される。絶縁層を用意することにより、超伝導ループを縦方向にスタックすることも可能である。離れた位置における磁場の測定を可能にするために、超伝導でもあるピックアップコイル２５８が、超伝導ループ２５１に接続され得る。

図６は、別の量子干渉デバイス３５０に対する本発明の適用を概略的に示す。量子干渉デバイス３５０は、間隙により不連続とされた超伝導ループ３５１を備える。複数の常伝導体セグメント３５２が、上述のように間隙を橋渡しする。交差体３５５は、干渉計を形成するために、常伝導体セグメント３５２の中点に装着されている。読み取りリード３５６、３５７が、交差体３５５の端部に接続されている。超伝導ループ３５１は、２つのローブ（ｌｏｂｅ、耳たぶ状の膨らみ部分）３５１、３５１ｂを含む。２つのローブは、重なるまたは触れるのではなく、互いに隣接している。それらは、直接隣接している必要はなく、近接している必要もない。２つのローブは、集積回路の同じ層内に利便性高く形成され得る。ピックアップコイル３６２は、第１のローブ３５１ａ内に提供され得る。ピックアップコイル３６２は、離れた位置において磁場を測定することを可能にする。フィードバックコイル３６１は、第２のローブ３５１ｂ内に提供され得る。フィードバックコイル３６１は、磁場、例えば漂遊磁場の打ち消しを可能にし、および、信号を束変調することも可能にする。ピックアップコイル３６２およびフィードバックコイル３６１は、超伝導である。絶縁スペーサ３５３が、超伝導ループ３５１が電気的接触なしでループ３６１および３６２に交差することを可能にするために提供される。

図７は、上述の原理に従って動作する複数の量子干渉デバイス４５０−１から４５０−ｎを備える複合デバイス４００を示す。量子干渉デバイス４５０の各々が、超伝導ループ４５１−１から４５１−ｎと、交差体４５５に接続された１つまたは複数の常セグメント４５２を含む干渉計とを含む。交差体４５５は、直列に読み取り線４５６、４５７に接続されている。超伝導ループ４５１−１から４５１−ｎは、円の一部に概ね一致し、それらのそれぞれの角度θおよび半径ｒを変化させることにより選択され得るそれぞれの面積をもつ。円の一部として超伝導ループを配置することにより、小型配置が達成され得、すべてのセグメントにわたる測定された場の一様さを改善し得る。各デバイスにおけるループの寸法および常セグメントの数を変えることにより、複合デバイスは、測定された場に所望の関数を適用し得る。ループのすべてが同じ面積をもつ場合、複合デバイス４００は、次式により与えられる向上された信号を生成し得、

式中、Ｍはループ数であり、２Ｎは追加的な十字の数であり、Φ_０は束量子である。

を含む本発明の例示的な実施形態について説明してきたが、説明される実施形態に変更がなされ得ることが理解される。例えば、複数の常伝導セグメントの使用は、ＷＯ２０１２／００７７３６Ａ１およびＰＣＴ／ＧＢ２０１６／０５２６６４において説明されるものを含む様々な量子干渉デバイスに適用され得、これらの文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。上述の異なるデバイスの特徴は、すべての実行可能な組み合わせで組み合わされ得る。本発明は、上述の説明により限定されず、添付の特許請求の範囲により限定される。

Claims (16)

1. 間隙により不連続とされた超伝導ループと、
   前記間隙を橋渡しする複数の常伝導体セグメントと、
   前記常伝導体セグメントに接続された干渉計と、
   を備え、
   前記常伝導体セグメントが、離隔されている、
   量子干渉デバイス。
2. 前記常伝導体セグメントが、一様に離隔されている、
   請求項１に記載の量子干渉デバイス。
3. 前記常伝導体セグメント間の距離が、すべて等しくなるようにはされていない、
   請求項１に記載の量子干渉デバイス。
4. 前記常伝導体セグメントの長さが、すべて等しい、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の量子干渉デバイス。
5. 前記常伝導体セグメントの長さが、すべて等しくなるようにはされていない、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の量子干渉デバイス。
6. 前記超伝導ループが、複数のターンを含む、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の量子干渉デバイス。
7. 前記複数のターンが、複数の隣接したローブを備える、
   請求項６に記載の量子干渉デバイス。
8. 前記超伝導ループのローブ内に位置するコイルをさらに備える、
   請求項７に記載の量子干渉デバイス。
9. ２つのローブと、
   前記超伝導ループの各前記ローブ内に位置するコイルと、
   を含む、請求項９に記載の量子干渉デバイス。
10. 請求項９に記載の量子干渉デバイスと、
    前記超伝導ループの１つの前記ローブ内に位置する前記コイルに接続されたピックアップコイルと、
    前記超伝導ループの別の前記ローブ内に位置する前記コイルに接続されたフィードバック電流源と、
    を備える、磁気計デバイス。
11. 前記量子干渉デバイスの前記干渉計に接続された読み取りリードのペアをさらに備える、
    請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 前記複数のターンが、複数の入れ子ループを備える、
    請求項６に記載の量子干渉デバイス。
13. 不完全な超伝導ループと、
    前記超伝導ループの端部から並列に延びた分岐のペアと、
    前記分岐間を橋渡しする複数の常伝導体セグメントと、
    前記常伝導体セグメントの中点に接続された常伝導交差体と、
    を備える、量子干渉デバイス。
14. 超伝導分岐と前記常伝導体セグメントとにより囲まれた面積が、前記超伝導ループにより囲まれた面積よりはるかに小さい、
    請求項１３に記載の量子干渉デバイス。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の複数の前記量子干渉デバイスを備え、
    前記量子干渉デバイスの前記干渉計が、直列接続された、
    複合デバイス。
16. 前記量子干渉デバイスの前記超伝導ループが、円の一部に適合している、
    請求項１５に記載の複合デバイス。

Images