JP2579403B2 - ３接合超伝導量子干渉デバイス・ミクサ - Google Patents

３接合超伝導量子干渉デバイス・ミクサ

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JP2579403B2
JP2579403B2 JP4125235A JP12523592A JP2579403B2 JP 2579403 B2 JP2579403 B2 JP 2579403B2 JP 4125235 A JP4125235 A JP 4125235A JP 12523592 A JP12523592 A JP 12523592A JP 2579403 B2 JP2579403 B2 JP 2579403B2
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    • H03B15/003—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using superconductivity effects
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に３接合ＳＱＵＩ
Ｄ（超伝導量子干渉デバイス）に関し、より詳しくは、
ジョセフソン接合などの非線形素子が、ジョセフソン接
合など他の２つの非線形素子と２つの入力コイルによっ
て形成される直流ＳＱＵＩＤと結合されて、２つの入力
磁束信号を混合するのに使用できるミクサ回路を提供す
る、３接合ＳＱＵＩＤミクサ回路に関する。このミクサ
回路は、高分解能のまたは量子雑音が制限されたＳＱＵ
ＩＤシステムにおける過剰雑音に関連する問題を最小限
にし解決するために、超低周波信号を上方変換し、ある
いは高周波信号を下方変換するのに使用できる。
【０００２】
【従来の技術】本発明は、生体磁気学や軍事の応用分野
で存在する可能性のある、磁束信号を検出する際の過剰
な雑音に関連する重大な問題を解決する。本明細書で以
下に論じるように、高分解能のまたは量子雑音が制限さ
れたＳＱＵＩＤシステムにおいて磁束信号を検出する際
の過剰な雑音に関連する問題を最小限にし解決するため
の効率的な代替の解決方法は知られていない。
【０００３】米国特許第４１１７３５４号明細書は、非
線形のスイッチング特性またはしきい値特性をもつジョ
セフソン接合干渉計を開示している。非線形のしきい値
特性は、注入電流を、そのゲート電流が通常印加される
点とは異なる干渉計の点に印加することによって、好ま
しい形で達成される。その結果得られる非線形性が、高
い増幅度をもたらす。非線形のスイッチング特性もま
た、注入電流を、ゲート電流が通常印加される点と同じ
干渉計の点に印加することによって達成できる。ただ
し、印加された注入電流の一部が干渉計のインダクタン
スに電磁的に結合されて、所望の非線形スイッチング特
性を生じるのである。
【０００４】米国特許第４１１７５０３号明細書は、誘
導性構成要素、容量性構成要素、及び抵抗性構成要素を
有するジョセフソン干渉計で、管内気体中で見られるの
と同様な比較的高振幅の共鳴が存在し易いことを明らか
にしている。干渉計構造は、干渉計デバイス中にメッシ
ュと同数の離散的共鳴電圧だけが存在する点を除き、長
いトンネル接合と同じ共鳴挙動を示す。したがって、２
接合干渉計は、１つの共鳴を有し、３接合デバイスは２
つの共鳴を示す。干渉計などのジョセフソン・トンネリ
ング・デバイスの電流電圧特性では、このような共鳴が
階段状電流として現れるので、主として外部負荷の負荷
曲線が共鳴ピークと交差する状況を避けるため、ジョセ
フソン・スイッチング回路の設計で、このことを考慮し
なければならない。負荷曲線と共鳴ピークとが交差する
場合、このような交差は安定なので、デバイスは所望の
全電圧にスイッチされない。このような共鳴は、干渉計
において、干渉計の主インダクタンスと並列な抵抗を設
けることにより、有効に抑制することができる。２接合
干渉計では、干渉計の各接合に必要な各電極対の一方の
電極を形成するのに用いられる、ベース電極のメタライ
ゼーションの間に、抵抗を接続すると効果がある。２個
以上の接合が利用される限り、この共鳴を抑制する抵抗
が、接合対の間、及び接合を相互接続する主インダクタ
ンスの両端間に接続される。共鳴を抑制する抵抗を備え
た２接合干渉計の構造が、複数接合干渉計の概略図とと
もに示されている。これは、このような構造がどのよう
にして製造できるかをはっきり示している。
【０００５】米国特許第４９１６３３５号明細書は、ジ
ョセフソン素子を含む経路が量子磁束パラメトロンの起
励誘導子、または超励誘導子に磁気的に結合された起励
線の誘導子と並列に接続され、それによって、位相調整
回路を形成する、量子磁束パラメトロン型超伝導回路を
記載している。
【０００６】特開昭６３−２６１８８５号明細書は、互
いに並列に両端でゲート電流線に接続された、第１、第
２、第３の分岐線から構成される超伝導閉回路を記載し
ている。第１分岐線は、誘導子と、臨界電流値をもつジ
ョセフソン素子との直列回路を含んでいる。第２分岐線
は、第２の臨界電流値をもつジョセフソン素子だけを含
んでいる。第３分岐線は、誘導子と、第３臨界電流値を
もつジョセフソン素子との直列回路を含んでいる。誘導
子は、磁気誘導によって制御電流線と結合された、非対
照の３接合直流ＳＱＵＩＤゲートから構成されている。
高利得または高感度を維持しながら、十分に広い動作余
裕を得ることができる。
【０００７】欧州特許出願第００７６１６０号明細書
は、少なくとも第１及び第２の超伝導ループと、少なく
とも２本の論理入力信号線から構成され、各論理入力信
号線が超伝導ループの一方と対向して配列され、各論理
入力信号線が超伝導ループの上記の一方とだけ磁気的に
結合でき、他方の超伝導ループとは磁気的に独立し、こ
れによりデバイスを超伝導状態に維持するための許容範
囲が拡張されるようになった、ジョセフソン接合論理デ
バイスを開示している。
【０００８】P.ゲレ（Gueret）の論文"New Type of Sin
gle Flux Quantum Cell",ＩＢＭ Technical Disclosur
e Bulletin,２１０６２５３４は、中央誘導子と直列な
接合を有する、中央給電式３接合干渉計を記載してい
る。
【０００９】ＩＢＭ Technical Disclosure Bulletin,
２７４Ａ２１５７に所載のS.B.カプラン（Kaplan）の論
文は、３つのジョセフソン接合と２本の入力信号線を含
む２つの超伝導ループを用いる、多重接合論理デバイス
を記載している。カプランはまた、入力コイル中の入力
信号を用いて、ＳＱＵＩＤを０電圧状態からある電圧状
態に切り換える、ただ１つの入力コイルを有する同様の
ＳＱＵＩＤも開示している。これは、２つの入力のうち
の一方がコイルを介してＳＱＵＩＤ中にリンクされた磁
束の形であり、もう一方の入力がゲート電流を通じてＳ
ＱＵＩＤ接合に直接印加される、コンピュータのスイッ
チング及びメモリ回路の応用例を狙いとする、従来技術
の参考文献のすべてに共通の特徴である。この論文に開
示されている３ジョセフソン接合の配置構成は本発明の
それに類似しているが、カプランはこの配置構成を超低
周波信号を上方変換するためのミクサ装置として使用
し、それによって、低周波雑音の制限をもつ問題を最小
限にし解決すること、あるいは高周波信号を下方変換す
るためのミクサ装置として使用することを、開示または
教示しておらず、考えてもいない。
【００１０】ＩＢＭ Technical Disclosure Bulletin,
２５０６２９４０に所載のW.H.チャン（Chang）の論文
は、そのＬＩｏ積に僅かな不一致がある２つの超伝導ル
ープを有し、少し非対称な干渉計を提供する、３接合ジ
ョセフソン干渉計を記載している。
【００１１】上記で検討した従来技術のどれも、ジョセ
フソン接合などの非線形素子を含む３接合超伝導量子干
渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を他の２個の接合と組み合わ
せて結合し、２つの入力コイルに接続して、２つの入力
磁束信号を混合するミクサ機構として使用できる回路を
提供する、本発明と同様の方式で動作する回路を開示も
教示もしていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主目的は、ジ
ョセフソン接合などの非線形素子を他の２個の接合及び
２つの入力コイルによって形成される直流ＳＱＵＩＤと
結合して、２つの入力磁束信号を混合するためのミクサ
機構として使用できる回路を提供する、３接合ＳＱＵＩ
Ｄを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明では、従来技術、
特にカプランのそれとは対照的に、ＳＱＵＩＤが、従来
技術のすべてのデバイスにおける可変ゲート電流の代り
にある固定電流レベルでバイアスされる。さらに、２つ
の入力磁束が３接合ＳＱＵＩＤの非線形特性によって混
合されるので、ＳＱＵＩＤ両端間の電圧が変化する。こ
れは、従来技術のデバイスのしきい値スイッチングとは
非常に異なっている。
【００１４】本発明のデバイスを用いて、超低周波信号
を上方変換し、あるいは高周波信号を下方変換し、高分
解能のまたは量子雑音が制限されたＳＱＵＩＤシステム
における過剰雑音に関連する問題を最小限にし解決する
ことが可能である。
【００１５】
【実施例】超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）は、
当技術分野で周知であり、通常、絶対温度数度の温度で
動作し、高感度の磁束検出装置を提供する、１個または
２個のジョセフソン接合（あるいは、ジョセフソン接合
と類似の非ヒステリシス電流電圧特性を示す、弱リンク
など他の非線形素子）を用いて設計される。これを適当
な回路に接続することにより、電圧、抵抗、磁場勾配、
磁化率、磁気変位を含む、広範囲の物理定数の高感度測
定が可能となる。
【００１６】２接合のすなわち直流型のＳＱＵＩＤは、
１９６４年に初めて現れ、低温物理学者により極めて広
範に使用されていた。１９７０年には、単一接合のすな
わち高周波型のＳＱＵＩＤが出現して市販されるように
なり、その結果、特に低温研究所以外の場所で働く非専
門家により、直流型装置よりもはるかに広範に使用され
るようになった。しかし、１９７０年代半ばに、直流Ｓ
ＱＵＩＤが高周波ＳＱＵＩＤよりも潜在的にはるかによ
り高感度であることが判明し、２接合の製作を１接合の
それよりも難しくなくした薄膜技術の出現とあいまっ
て、直流ＳＱＵＩＤの大幅な発展をもたらした。
【００１７】ジョン・バーディーン（John Bardeen）、
レオン・クーパー（Leon Cooper）、ロバート・シュリ
ーファ（Robert Schrieffer）によって開発された、巨
視的超伝導理論は、従来の超伝導材料で通常絶対数度で
ある超伝導転移温度よりも低い温度で、超伝導材料中の
自由電子の少なくとも一部が対として束縛されることを
示している。こうした各「クーパー対」は、それぞれ逆
向きのスピンをもち、電流や磁場が印加されていない場
合、運動量が等しくて反対の向きであり、したがって正
味のスピン及び運動量が共に０である、２つの電子から
構成されている。この対が、下記の巨視的波動関数で記
述される、単一の巨視的量子状態に凝縮する。
【数１】 Ψ（ｒ，ｔ）＝［Ψ（ｒ，ｔ）］ｅ´Φ(r,t) 位相Φ（ｒ，ｔ）は超伝導体全体を通じてコヒーレント
である。したがって、超伝導は、巨視的な量子現象であ
る。
【００１８】この凝縮物の長距離配列は、多くの重要な
結果を有する。第１に、これは無限大の電気伝導率をも
たらす。超伝導リング中で誘導される電流は、クーパー
対によって搬送され、永久的に持続する。ただし、この
電流によって生成されるリングを貫く磁束は、任意の値
をとることができず、磁束量子Φ0の単位で量子化され
る。Φ0は、プランク定数とクーパー対の電荷の比ｈ／
２ｅ、すなわち約２×１０-15Ｗｂである。つまり、閉
じ込められた磁束Φは、磁束量子の整数倍Φ＝ｎΦ
0（ｎ＝０、１、２．．．）である。この磁束量子化と
いう現象が、巨視的波動関数のもう一つの結果である。
Ψ（ｒ，ｔ）が１価関数であるとの必要条件から、位相
Φ（ｒ，ｔ）は、リングを１周するとき、ちょうど２π
ｎだけ変化しなければならない。
【００１９】長距離位相コヒーレンスの第３の結果は、
ブライアン・ジョセフソン（BrianJosephson）により１
９６２年に初めて提唱された、ジョセフソン・トンネル
効果である。クーパー対が、２つの超伝導体の間の位相
コヒーレンスをその過程で維持しながら、量子力学的に
トンネル効果で通過できる、薄い絶縁障壁によって分離
された２つの超伝導体を考える。ジョセフソンは、接合
の両側での位相差δが、障壁を通過して流れる超伝導電
流Ｉに対して式ｓｉｎδ＝Ｉ／Ｉ0の関係をもつことを
示した。ただし、Ｉ0は臨界電流、すなわち接合が保持
できる最大超伝導電流である。印加電流が臨界電流より
大きい場合は、接合の両端間に電圧Ｖが存在し、位相差
δは時間と共にｄδ／ｄｔ＝２πＶ／Φ0として増加す
る。
【００２０】磁束量子化とジョセフソン・トンネル効果
が、ＳＱＵＩＤの本質的な動作特性である。
【００２１】図１に示すような直流ＳＱＵＩＤでは、並
列に接続された２つのジョセフソン・トンネル接合が、
量子干渉を示す。超伝導ループを貫通する磁束Φが変化
するとき、２つの接合の臨界電流は、磁束量子Φ0に等
しい周期で振動する。これらの振動は、光学装置で２本
のコヒーレント光線の間の干渉が明暗の縞模様を生じる
のとちょうど同じように、２つの接合における巨視的波
動関数の間の干渉に由来する。
【００２２】図１は、電流Ｉ及び磁束Φによってバイア
スをかけた、直流ＳＱＵＩＤの概略図である。２つのジ
ョセフソン・トンネル接合（十字記号で示す）がそれぞ
れ、それ自体の自己キャパシタンスＣ及び外部抵抗Ｒで
分岐する。ループのインダクタンスはＬである。図２の
電流電圧特性は、磁束がｎΦ0及び（ｎ＋1/2）Φ0の場
合のＳＱＵＩＤの特性曲線である。図３のグラフは、図
２、３に破線で示した固定電流バイアスをかけた場合
の、ＳＱＵＩＤの両端間の電圧Ｖと磁束Φ／Φ0の関係
を示す。
【００２３】直流ＳＱＵＩＤの従来の動作方式では、そ
の電流電圧特性はヒステリシスのないものでなければな
らない。これは、抵抗値の充分低い外部分路を加えるこ
とによって確保できる。ＳＱＵＩＤを貫通する磁束が変
化すると、電流電圧特性曲線は、図２に示した両極限の
間で滑らかに振動する。つまり、ＳＱＵＩＤに定電流の
バイアスがかかっている場合、図３に示すように、ＳＱ
ＵＩＤの両端間の電圧は、印加磁束に対して周期的であ
る。デバイスは、通常、約（２ｎ＋１）Φ0／４の磁束
バイアスで作動され、この場合、電圧は印加磁束に対し
て線形となる。
【００２４】したがって、ＳＱＵＩＤは、磁束の変化を
従来の電子装置で容易に検出可能な電圧変化に変換す
る、磁束電圧変換器である。ただし、磁束量子の分数倍
よりもかなり大きな磁束のダイナミック・レンジが必要
とされることが多いので、ＳＱＵＩＤは、通常、帰還回
路におけるゼロ検出器として使われる。この方式では、
印加された磁束によって生じるＳＱＵＩＤ両端間の電圧
の変化が増幅され、ＳＱＵＩＤに結合されたコイルを介
して電流に変換されて、絶対値が同じで方向が反対の磁
束を生じる。電子装置におけるドリフトと低周波雑音を
避けるため、ＳＱＵＩＤは磁束ロック・モードで動作さ
せ、交番磁束をＳＱＵＩＤに印加して、その結果デバイ
スの両端間に生じる交流電圧を増幅する。このようにし
て、磁束量子Φ0よりはるかに小さい磁束変化を検出で
きるだけでなく、多数の磁束量子に対応する印加磁束を
測定することも可能である。磁束ロックＳＱＵＩＤの周
波数応答は、通常、０ないし何十キロヘルツの範囲にあ
る。
【００２５】「磁束雑音エネルギー」の概念は、直流Ｓ
ＱＵＩＤの分解能を扱う際に有用である。周波数ｆで単
位帯域幅でＳＱＵＩＤが分解できる最小磁束変化をδΦ
（ｆ）とすれば、単位帯域幅当りの磁束雑音エネルギー
はε（ｆ）＝（δΦ）2／２Ｌで定義できる。ただし、
ＬはＳＱＵＩＤのインダクタンスである。磁束雑音エネ
ルギーε（ｆ）の値が小さいほど、分解能は良くなる。
等価磁束雑音δΦは、ちょうど、単位帯域幅当りのＳＱ
ＵＩＤの両端間の電圧雑音δＶと磁束雑音伝送関数の比
∂Ｖ／∂Φである。
【００２６】電子雑音及び伝達関数を計算するため、唯
一の雑音源が、分路抵抗によって生じる２つの独立なナ
イキスト雑音電流または熱雑音電流であったと仮定し
て、ＳＱＵＩＤの方程式を解いた。この解析から、適当
な電流バイアス及び磁束バイアスをかける場合、２ＬＩ
0≒Φ0のとき、ＳＱＵＩＤはその最適雑音エネルギーを
達成すると結論された。そのときの、最適雑音エネルギ
ーは次式のようになる。
【数２】 ε≒１０ｋBＴ（ＬＣ）1/2 ここで、ｋBはボルツマン定数、Ｃは一方のトンネル接
合のキャパシタンス、Ｔは絶対温度である。この方程式
の意味するところは明白であり、小さいほど良い。した
がって、ＳＱＵＩＤのループのインダクタンスすなわち
面積が、したがって接合のキャパシタンスが減少できる
なら、それに応じて雑音エネルギーが減少する。デバイ
スを低温に冷却すると、さらに改善されるはずである。
【００２７】この雑音エネルギーの予測は、ＩＢＭを先
頭に様々なグループが薄膜技術を用いて広範囲のデバイ
スを製造するきっかけとなった。フォトリソグラフィま
たは電子線リソグラフィで、多分５平方ミクロンから
０．１平方ミクロンあるいはそれ以下に及ぶ面積のトン
ネル接合を生成することができる。上記の式から、イン
ダクタンスＬとキャパシタンスＣに対する雑音エネルギ
ーの依存性がかなりよく予測できる。この二三年の間
に、最適雑音エネルギーεは約４桁も減少した。
【００２８】すべての電子デバイスと同様に、ＳＱＵＩ
Ｄは「１／ｆ雑音」、すなわち、周波数に反比例するス
ペクトル密度をもつ雑音を示す。低周波数での分解能を
制限するこの雑音の起源は、やっと今、分かりかけて来
ている。単一ジョセフソン・トンネル接合の臨界電流
は、障壁における電子の捕獲及び解放から生じる１／ｆ
雑音を示すが、この効果は、多くのＳＱＵＩＤで観察さ
れる１／ｆ雑音を説明するには小さすぎる。したがっ
て、１／ｆ雑音の起源は他にあるらしく、ＳＱＵＩＤ本
体中に捕獲されている磁束の移動であろうと思われる。
Ｔｃの低い超伝導材料から最近製造されたＳＱＵＩＤ
は、非常に低レベルの１／ｆ雑音を示している。Ｔｃの
高い材料から製造されたＳＱＵＩＤの１／ｆ雑音レベル
はかなり高い。これらとその他のはるかに雑音の多いデ
バイスの物理的相違点については、なお研究中である。
【００２９】高周波ＳＱＵＩＤは、１個のジョセフソン
接合によって中断された超伝導ループから構成される。
このループが、約３０メガヘルツの高周波電流によって
励起されるＬＣ共鳴回路の誘導子に結合される。共鳴回
路の両端間の交流電圧の振幅は、ＳＱＵＩＤを貫通する
磁束内で周期Φ0で周期的であって、適当な電子装置を
用いて、直流ＳＱＵＩＤの場合とほぼ同じようにして高
周波ＳＱＵＩＤを磁束ロック・ループで動作させること
ができる。高周波ＳＱＵＩＤの感度は、直流ＳＱＵＩＤ
の感度ほど良くはない。
【００３０】多くの分野の科学者が、高周波ＳＱＵＩＤ
及び直流ＳＱＵＩＤを著しく広範囲に使用している。Ｓ
ＱＵＩＤを用いて行った実験室レベルでの測定には、極
めて小さい試料の磁化率の広い温度範囲にわたる決定、
超伝導体における準粒子の電荷不均衡の測定、核磁気共
鳴及び四極子共鳴の検出、さらに雑音測定を利用して温
度を決定する、雑音温度測定がある。
【００３１】ますます重要になってきつつある一領域
は、生体磁気学である。ごく僅かの例をあげれば、研究
者はＳＱＵＩＤを用いて、心臓及び脳で発生する磁場を
研究し、目の動きを検出し、さらには単離したカエルの
神経で発生する磁気パルスを検出している。もう一つの
重要な領域は、たとえば、地球物理学、地磁気探査、岩
石磁気学、古地磁気学である。ＳＱＵＩＤはまた、重力
波アンテナ、磁気単極検出器、一般相対論の軌道回転ジ
ャイロ試験など比較的大規模な実験でも使用されてい
る。
【００３２】上記の実験の多くのものでは、過剰雑音、
特に、Ｔｃの高い材料から製造されたＳＱＵＩＤに固有
の低周波雑音源に関連する過剰雑音が、重大な問題であ
り、あるいはそうなるはずである。
【００３３】たとえば、生体磁気信号は、心臓からの約
１ピコ（１０-12）テスラから脳からの１００フェムト
（１０-15）テスラまでの範囲の、極めて小さいもので
ある。従来の超伝導材料から製造された現在のＳＱＵＩ
Ｄは、雑音レベルがこれらの値よりもかなり低い。ただ
し、Ｔｃの高いＳＱＵＩＤの雑音レベルは、当該の周波
数（１ヘルツないし１キロヘルツ）で生体磁気信号より
高い。
【００３４】図４に、本発明の教示による３接合ＳＱＵ
ＩＤミクサを示す。これに関連して、従来の２接合直流
ＳＱＵＩＤは、第１及び第２の入力コイルＬ１，Ｌ２を
備えた第１及び第２のジョセフソン接合１０、１２を含
んでいる。本発明の教示によれば、第３のジョセフソン
接合１４を入力コイルＬ１またはＬ２の一方と並列に結
合して、３接合ＳＱＵＩＤミクサを形成する。素子１
０、１２、１４は図ではジョセフソン接合として示して
あるが、弱リンクなどジョセフソン接合と同様の非線形
電流電圧特性をもつものなら、他の非線形素子も代わり
に使用できることを強調しておきたい。第３のジョセフ
ソン接合１４によって形成される分路接合は、ヒステリ
シス性のものでも非ヒステリシス性の（小さな外部抵抗
で分路されている）ものでもよく、電流Ｋがその中を流
れる。
【００３５】動作の際には、磁束信号Φ1、及びΦ2がそ
れぞれインダクタンスＬ1及びＬ2にリンクされる。出力
信号（電圧Ｖ）は、入力印加磁束Φ1、Φ2、バイアス電
流Ｉ及びＳＱＵＩＤパラメータによって決まる。３接合
ＳＱＵＩＤの動作は、次のような一般的説明から理解で
きる。３接合ＳＱＵＩＤでは、接合１０及び１２を含む
ループ内での正味のＳＱＵＩＤインダクタンスは、分路
接合１４がある正常状態抵抗から超伝導状態に切り換わ
る場合、２つのインダクタンスの和Ｌ1＋Ｌ2からほぼＬ
2にまで減少する。このインダクタンスの変化が、正方
向伝達関数ｄＶ／ｄΦの変化に反映される。したがっ
て、Φ1及びΦ2によって発生される出力信号は、信号磁
束が接合１４を切り換えるかどうかに依存する。この接
合が強いヒステリシスをもつ場合には、デバイスはしき
い値をもつように思われる。分路接合１４がヒステリシ
スをもたない場合には、２つの磁束信号の従来通りの混
合が生じる。
【００３６】図５の回路動作で、混合電流Ｉｃが入力コ
イルＬ1a及びＬ1bと誘導結合したコイルに向かう場合、
磁束ΦMがＳＱＵＩＤの上側ループに導入され、信号電
流Ｉdが入力コイルＬ 2a及びＬ2bと誘導結合したコイル
に向かう場合は、磁束ΦsがＳＱＵＩＤの下側コイルに
導入される。
【００３７】図４及び図５の回路動作は、図１に示した
ＳＱＵＩＤで行われるように単一のコイルまたは誘導子
にでなく、別々のコイルまたは誘導子に導入される磁束
（Φ1、Φ2）及び（ΦMΦS）に依存する。その結果、３
接合ＳＱＵＩＤの出力電圧Ｖ（ΦMΦS）は従来の直流Ｓ
ＱＵＩＤの出力電圧Ｖ0（ΦM＋ΦS）と等価ではない。
【００３８】従来の直流ＳＱＵＩＤでは、Ｖ0（ΦM＋Φ
S）にテイラー級数展開を行うと、次式が得られる。
【数３】 ただし、ΦT＝ΦM＋ΦS。従来のＳＱＵＩＤは、∂Ｖ0／
∂ΦTが最大になり、∂2Ｖ0／∂ΦT 2が０となるよう
に、バイアスがかけられている。
【００３９】項（ΔΦM＋ΔΦS）2及びそれより高次の
項は無視でき、したがって、入力信号の混合によって生
じる電圧への寄与は最小限である。
【００４０】３接合ＳＱＵＩＤで、Ｖ（ΦM，ΦS）にテ
イラー級数展開を行うと、次式が得られる。
【数４】 上式で、（∂2Ｖ／∂ΦM∂ΦS）ΔΦMΔΦS が問題の混
合項であり、バイアス点及びＳＱＵＩＤパラメータは、
混合項が最大になるように選ばれる。
【００４１】スペクトル密度１／ｆの低周波雑音はＳＱ
ＵＩＤの動作に固有であり、図５に示すような特性を有
する。図は、磁束雑音エネルギーεと周波数ｆの関係を
示すグラフであり、本発明のミクサがスペクトル密度雑
音に関連する問題をどのように最小限にし解決するかを
示す。
【００４２】従来の低周波雑音のＳＱＵＩＤでは、その
応答が展開の１次の項によって支配される。したがっ
て、出力電圧における任意の低周波ゆらぎは回避できな
い。
【００４３】この不都合な効果は、本発明により除去す
ることができる。
【００４４】図６で、周波数ｆsにおける信号磁束ΦSの
低周波数は、曲線の、顕著な雑音出力ε（ｆ）が生じる
部分内にあり、混合磁束ΦMの周波数ｆMは、混合項（ｆ
M±ｆS）が低周波数雑音領域よりも十分に高い周波数に
あるように選ばれる。
【００４５】図５は、本発明による３接合ＳＱＵＩＤミ
クサの第２のより包括的な実施例を示したもので、外部
バイアス線を介して、３つの信号Ｉc、Ｉd、Ｉeをデバ
イス内に導入できることを例示している。パラメータＩ
c、Ｉd、Ｉeは、３つの信号電流を表す。図５の実施例
は、各ジョセフソン接合に関連するキャパシタンスを各
接合の分路抵抗と共に直接示し、かつ各入力コイル
Ｌ1a、Ｌ1b及びＬ2a、Ｌ2b用の誘導結合コイル、ジョセ
フソン接合１４に関連する第３の入力コイルＬ3、及び
それ用の結合コイルも示してある点でより包括的であ
る。
【００４６】各入力インダクタンス・コイルＬ用の結合
コイルを省略し、ΦをＳＱＵＩＤループに直接導入され
る外部磁束とする実施例も可能である。
【００４７】図７は、様々なΦMの値での平均電圧と、
磁束ΦSとΦMの和との関係を示す一群の曲線を示したも
ので、３接合ＳＱＵＩＤ混合ミクサ用の本発明の動作を
説明するのに有用である。様々なΦMの値の場合のこの
一群の曲線は、ΦM及びΦS両者に対する非線形的な依存
性を示す形状の変化を示す。
【００４８】図８は、様々なΦMの値での平均電圧と、
磁束ΦSとΦMの和との関係を示したもので、従来型のＳ
ＱＵＩＤの動作を説明するのに有用である。ΦMの連続
する各値での平均電圧は、分かり易くするため、上方に
移動させてある。これらの曲線は形状が同じであり、和
ΦM＋ΦSに対する電圧の依存性を示す。
【００４９】図９は、位相ロック・ループ・モードで動
作させた従来型のＳＱＵＩＤを示し、また信号電圧出力
曲線も示している。位相ロック・ループ・モードでは、
ΔΦS信号が入力として受け取られ、通常、１００キロ
ヘルツで変調される。図８は、信号出力が高い値Ｖ0＋
ΔＶ0と低い値Ｖ0−ΔＶ0の間で振動することを示して
いる。ただし、ΔＶ0＝ （∂Ｖ／∂ΦT）（ΔΦS＋ΔΦ
M）。
【００５０】３接合ＳＱＵＩＤも、位相ロック・ループ
・モードで、ｆM＋ｆSより大きな変調周波数で、同様に
動作させることができる。
【００５１】本発明の可能な応用分野としては、超低周
波信号をＳＱＵＩＤの固有１／ｆ以上に上方変換するこ
と、ならびに高周波信号を直流ＳＱＵＩＤ読出し回路で
通常用いられる位相ロック・ループの変調周波数以下に
下方変換することなどがある。
【００５２】本明細書では３接合ＳＱＵＩＤミクサのた
めの本発明のいくつかの実施例及び変形を詳細に記載し
たが、当業者にとっては、本発明の開示及び教示から多
くの代替設計が示唆されることは明白であろう。
【００５３】
【発明の効果】本発明のデバイスを用いて、超低周波信
号を上方変換し、あるいは高周波信号を下方変換し、高
分解能のまたは量子雑音が制限されたＳＱＵＩＤシステ
ムにおける過剰雑音に関連する問題を最小限にし解決す
ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】超伝導ループ中に結合された２個のジョセフソ
ン接合を含み、電流Ｉでバイアスされ、磁束Φで動作す
る、典型的な従来技術の直流ＳＱＵＩＤの概略図であ
る。
【図２】磁束がｎΦ0及び（ｎ＋1/2）Φ0の場合の直流
ＳＱＵＩＤの電流電圧特性曲線を示すグラフである。
【図３】図２に破線で示した固定電流バイアスをかけた
場合の、直流ＳＱＵＩＤの両端間の電圧Ｖと磁束Φ／Φ
0の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の教示による、３接合ＳＱＵＩＤミクサ
の第１の実施例を示す図である。
【図５】本発明の教示による、３接合ＳＱＵＩＤミクサ
のより包括的な第２の実施例を示す図である。
【図６】本発明のミクサ装置がスペクトル密度雑音に関
連する問題をどのように最小限にし解決するかを示す、
磁束雑音エネルギーεと周波数ｆの関係を示すグラフで
ある。
【図７】本発明の動作を説明するのに有用な、様々なΦ
Mの値での平均電圧と、磁束ΦSとΦ Mの和との関係を示
す一群の曲線のグラフである。
【図８】従来の直流ＳＱＵＩＤの磁束ロック・ループで
の動作を説明するのに有用な、様々なΦMの値での平均
電圧と、磁束ΦSとΦMの和との関係を示す一群の曲線の
グラフである。
【図９】従来の直流ＳＱＵＩＤでの、信号電圧出力と時
間の関係を示す曲線のグラフである。
【符号の説明】
１０ ジョセフソン接合 １２ ジョセフソン接合 １４ ジョセフソン接合
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−145688（ＪＰ，Ａ) 小口 高弘他「平面形ジョセフソント ライオードの製作」信学技報ＳＣＥ−87 −９

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の入力コイルと、 第２の入力コイルと、 上記第１の入力コイルの一方の端子と上記第２の入力コ
    イルの一方の端子との間に設けられた第１の非線形素子
    と、 上記第１の入力コイルの他方の端子と上記第２の入力コ
    イルの他方の端子との間に設けられた第２の非線形素子
    と、 上記第１または第２の入力コイルの一方と並列に接続さ
    れて、その中を電流が貫通する追加のまたは第３の分路
    接合を形成し、上記第１および第２の入力コイルに入力
    された２つの入力磁束信号を混合してより高い周波数あ
    るいはより低い周波数へのヘテロダイン混合を可能にす
    るためのミクサ装置として使用できる、第３の非線形素
    子を含むミクサ回路と、を備える３接合超伝導量子干渉
    デバイス（ＳＱＵＩＤ）ミクサ。
  2. 【請求項２】上記第１、第２および第３の非線形素子が
    ジョセフソン接合からなる請求項１の３接合超伝導量子
    干渉デバイス・ミクサ。
  3. 【請求項３】上記ミクサ回路が上記第３の非線形素子と
    直列に接続された第３の入力コイルを有する請求項１の
    ３接合超伝導量子干渉デバイス・ミクサ。
  4. 【請求項４】上記第１および第２の入力コイルの各々
    が、上記入力コイルに磁束を導入するように上記入力コ
    イルと誘導結合した誘導コイルを有する、請求項１の３
    接合超伝導量子干渉デバイス・ミクサ。
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