JP3148741B2 - 高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子 - Google Patents
高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超伝導リングをジ
ョセフソン接合に結合した高周波磁束駆動超伝導量子干
渉素子に関するものである。
ョセフソン接合に結合した高周波磁束駆動超伝導量子干
渉素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の超伝導量子干渉
素子としては、超伝導リングを、１つまたは２つのジョ
セフソン接合に接合したものがあり、その応用には、電
磁波検出器、電圧標準装置、高感度磁力計等の測定に用
いられている。
素子としては、超伝導リングを、１つまたは２つのジョ
セフソン接合に接合したものがあり、その応用には、電
磁波検出器、電圧標準装置、高感度磁力計等の測定に用
いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の超伝導量子干渉素子においては、超伝導量子干
渉素子に高周波磁束Ｂrfおよび直流磁束Ｂdcを印加し、
高周波磁束Ｂrfにより発生する磁束量子の超伝導ループ
内への注入・排出を行う、つまり、高周波磁束駆動方式
は採用されていない。
た従来の超伝導量子干渉素子においては、超伝導量子干
渉素子に高周波磁束Ｂrfおよび直流磁束Ｂdcを印加し、
高周波磁束Ｂrfにより発生する磁束量子の超伝導ループ
内への注入・排出を行う、つまり、高周波磁束駆動方式
は採用されていない。
【０００４】また、現在、実用に供せられているジョセ
フソン電磁波検出器においては、電磁波がアンテナとな
る電極に入射したことによって生じる電流を、そのまま
ジョセフソン素子に注入し、ジョセフソン素子の非線形
特性に起因する電圧ステップ（シャピロステップ）の出
現を利用している。しかし、図４に示すように、ステッ
プの大きさや出現するバイアス電流値は電界の強さに強
く依存し、その利用にあたっては、バイアス電流値が適
切な値となるよう、常に調整する必要があった。
フソン電磁波検出器においては、電磁波がアンテナとな
る電極に入射したことによって生じる電流を、そのまま
ジョセフソン素子に注入し、ジョセフソン素子の非線形
特性に起因する電圧ステップ（シャピロステップ）の出
現を利用している。しかし、図４に示すように、ステッ
プの大きさや出現するバイアス電流値は電界の強さに強
く依存し、その利用にあたっては、バイアス電流値が適
切な値となるよう、常に調整する必要があった。
【０００５】更に、従来のジョセフソン電圧標準装置に
おいては、数万個のジョセフソン素子を直列に接続し、
そこに高周波電流を流すことにより、高周波電流とジョ
セフソン素子の量子力学的位相との間に同期をとり、交
流ジョセフソン効果に従った電圧を発生させている。し
かし、この方法では、高周波電流を集積チップ内のジョ
セフソン素子に対して均一に供給する必要があり、印加
する周波数に応じた集積チップの設計を必要としてい
た。
おいては、数万個のジョセフソン素子を直列に接続し、
そこに高周波電流を流すことにより、高周波電流とジョ
セフソン素子の量子力学的位相との間に同期をとり、交
流ジョセフソン効果に従った電圧を発生させている。し
かし、この方法では、高周波電流を集積チップ内のジョ
セフソン素子に対して均一に供給する必要があり、印加
する周波数に応じた集積チップの設計を必要としてい
た。
【０００６】また、従来の超伝導量子干渉素子を利用し
た磁束計においては、ある直流バイアス電流を印加した
状態で、素子に加えられた磁束の量を電圧として検出し
ていた。その出力電圧は、直流バイアス電流と印加磁束
とで一意に決められており、素子の感度を変化させるこ
とはできなかった。
た磁束計においては、ある直流バイアス電流を印加した
状態で、素子に加えられた磁束の量を電圧として検出し
ていた。その出力電圧は、直流バイアス電流と印加磁束
とで一意に決められており、素子の感度を変化させるこ
とはできなかった。
【０００７】本発明は、上記状況を鑑みて、ステップ電
圧は量子状態から決定され、その精度は印加高周波磁束
の精度に依存し、現在の電磁波周波数の安定度からみ
て、その誤差を極力低減することができる高周波磁束駆
動超伝導量子干渉素子を提供することを目的とする。
圧は量子状態から決定され、その精度は印加高周波磁束
の精度に依存し、現在の電磁波周波数の安定度からみ
て、その誤差を極力低減することができる高周波磁束駆
動超伝導量子干渉素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子において、２
個以上のジョセフソン素子と超伝導インダクタから構成
される超伝導量子干渉素子を備え、この超伝導量子干渉
素子に高周波磁束Ｂrfおよび直流磁束Ｂdcを印加し、前
記高周波磁束Ｂrfにより発生する磁束量子の超伝導ルー
プ内への注入・排出を行うとともに、前記ジョセフソン
素子の非線形特性に起因する電圧ステップが出現するバ
イアス電流値は量子状態により決定され、常に大きな電
圧ステップが出現し、かつそのときのバイアス電流値が
殆ど一定であることを利用して、高周波電磁波の検出を
行うようにしたものである。
成するために、 〔１〕高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子において、２
個以上のジョセフソン素子と超伝導インダクタから構成
される超伝導量子干渉素子を備え、この超伝導量子干渉
素子に高周波磁束Ｂrfおよび直流磁束Ｂdcを印加し、前
記高周波磁束Ｂrfにより発生する磁束量子の超伝導ルー
プ内への注入・排出を行うとともに、前記ジョセフソン
素子の非線形特性に起因する電圧ステップが出現するバ
イアス電流値は量子状態により決定され、常に大きな電
圧ステップが出現し、かつそのときのバイアス電流値が
殆ど一定であることを利用して、高周波電磁波の検出を
行うようにしたものである。
【０００９】〔２〕上記〔１〕記載の高周波磁束駆動超
伝導量子干渉素子において、前記ジョセフソン素子の非
線形特性に起因する電圧ステップが超伝導臨界電流以下
で出現することから、２Φ0 ｆの電圧と０電圧を電磁波
の入射、非入射時に対応させ、出力電圧振幅を大きくと
ることにより、高感度高周波電磁波検出を行うようにし
たものである。
伝導量子干渉素子において、前記ジョセフソン素子の非
線形特性に起因する電圧ステップが超伝導臨界電流以下
で出現することから、２Φ0 ｆの電圧と０電圧を電磁波
の入射、非入射時に対応させ、出力電圧振幅を大きくと
ることにより、高感度高周波電磁波検出を行うようにし
たものである。
【００１０】〔３〕上記〔２〕記載の高周波磁束駆動超
伝導量子干渉素子において、前記超伝導量子干渉素子を
集積してチップ化し、このチップ化された素子に一括し
て高周波磁束を印加するようにしたものである。
伝導量子干渉素子において、前記超伝導量子干渉素子を
集積してチップ化し、このチップ化された素子に一括し
て高周波磁束を印加するようにしたものである。
【００１１】〔４〕上記〔３〕記載の高周波磁束駆動超
伝導量子干渉素子において、前記チップ化された素子を
導波管内に配置することにより、前記素子に一括して高
周波磁束を印加するようにしたものである。
伝導量子干渉素子において、前記チップ化された素子を
導波管内に配置することにより、前記素子に一括して高
周波磁束を印加するようにしたものである。
【００１２】〔５〕上記〔３〕記載の高周波磁束駆動超
伝導量子干渉素子において、レーザー光を集光レンズを
介して前記集積されたチップに照射することにより、印
加磁束の周波数を遠赤外線領域以上に拡大するようにし
たものである。
伝導量子干渉素子において、レーザー光を集光レンズを
介して前記集積されたチップに照射することにより、印
加磁束の周波数を遠赤外線領域以上に拡大するようにし
たものである。
【００１３】〔６〕高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子
において、２個以上のジョセフソン素子と超伝導インダ
クタから構成される超伝導量子干渉素子を備え、この超
伝導量子干渉素子に高周波磁束Ｂ rf および直流磁束Ｂ dc
を印加し、前記高周波磁束Ｂ rf により発生する磁束量子
の超伝導ループ内への注入・排出を行うとともに、前記
直流磁束Ｂdcを変化させることにより、出現するジョセ
フソン素子の非線形特 性に起因する電圧ステップの次数
を制御することにより、電圧増幅を行わせるようにした
ものである。
において、２個以上のジョセフソン素子と超伝導インダ
クタから構成される超伝導量子干渉素子を備え、この超
伝導量子干渉素子に高周波磁束Ｂ rf および直流磁束Ｂ dc
を印加し、前記高周波磁束Ｂ rf により発生する磁束量子
の超伝導ループ内への注入・排出を行うとともに、前記
直流磁束Ｂdcを変化させることにより、出現するジョセ
フソン素子の非線形特 性に起因する電圧ステップの次数
を制御することにより、電圧増幅を行わせるようにした
ものである。
【００１４】〔７〕上記〔６〕記載の高周波磁束駆動超
伝導量子干渉素子において、前記直流磁束Ｂdcを被検出
磁束とすることにより、前記電圧ステップの次数を制御
することにより、電圧増幅を行わせ、磁束の計測を行う
ようにしたものである。
伝導量子干渉素子において、前記直流磁束Ｂdcを被検出
磁束とすることにより、前記電圧ステップの次数を制御
することにより、電圧増幅を行わせ、磁束の計測を行う
ようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明は、２個以上のジョセフソ
ン素子と超伝導インダクタから構成される超伝導量子干
渉素子に対して高周波磁束Ｂrfおよび直流磁束Ｂdcを印
加し、超伝導ループにおける量子干渉効果、磁束量子
（Φ0 ）の注入・排出、および交流ジョセフソン効果を
利用したジョセフソン電子素子に関するものである。
ン素子と超伝導インダクタから構成される超伝導量子干
渉素子に対して高周波磁束Ｂrfおよび直流磁束Ｂdcを印
加し、超伝導ループにおける量子干渉効果、磁束量子
（Φ0 ）の注入・排出、および交流ジョセフソン効果を
利用したジョセフソン電子素子に関するものである。
【００１６】以下、本発明の実施の形態について図を参
照しながら説明する。
照しながら説明する。
【００１７】図１は本発明の実施例を示す２個のジョセ
フソン素子および超伝導インダクタから構成される超伝
導量子干渉素子の回路図である。
フソン素子および超伝導インダクタから構成される超伝
導量子干渉素子の回路図である。
【００１８】図１に示すように、この超伝導量子干渉素
子１０は、２個のジョセフソン素子Ｊ１，Ｊ２および超
伝導インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４から構成され
る。この超伝導量子干渉素子１０に電流端子１１，１
２、および電圧端子１３，１４を設け、外部から印加磁
束Ｂexを印加すると、ジョセフソン素子Ｊ１，Ｊ２をゲ
ートとして、超伝導ループ内に磁束量子が整数個だけ注
入される。
子１０は、２個のジョセフソン素子Ｊ１，Ｊ２および超
伝導インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４から構成され
る。この超伝導量子干渉素子１０に電流端子１１，１
２、および電圧端子１３，１４を設け、外部から印加磁
束Ｂexを印加すると、ジョセフソン素子Ｊ１，Ｊ２をゲ
ートとして、超伝導ループ内に磁束量子が整数個だけ注
入される。
【００１９】図２には、外部からの印加磁束Ｂexを横軸
に、バイアス電流Ｉdcを縦軸にとった場合の量子状態が
示されている。図２中のｎはその絶対値は超伝導ルー
プ中の磁束量子数を表し、その符号は磁束量子の向き
を表す。
に、バイアス電流Ｉdcを縦軸にとった場合の量子状態が
示されている。図２中のｎはその絶対値は超伝導ルー
プ中の磁束量子数を表し、その符号は磁束量子の向き
を表す。
【００２０】本発明の超伝導量子干渉素子では、印加磁
束Ｂexとして高周波磁束Ｂrfと直流磁束Ｂdcを加える。
すなわち、Ｂex＝Ｂrf＋Ｂdcとする。
束Ｂexとして高周波磁束Ｂrfと直流磁束Ｂdcを加える。
すなわち、Ｂex＝Ｂrf＋Ｂdcとする。
【００２１】まず、初期状態を原点とする。この状態は
ｎ＝０の状態であり、超伝導ループ内に磁束量子は入っ
ていない。
ｎ＝０の状態であり、超伝導ループ内に磁束量子は入っ
ていない。
【００２２】次に、直流バイアス電流を印加し、動作点
をａにセットする。この時もｎ＝０の量子状態は保たれ
ている。
をａにセットする。この時もｎ＝０の量子状態は保たれ
ている。
【００２３】外部から周波数の高周波磁束を印加する
と、その動作点は、ａを中心として図２中の「動作点の
軌跡」上を左右に移動する。高周波磁束が小さくその動
作点がｂやｄを越えない場合は、量子状態ｎ＝０が保た
れる。この場合、このジョセフソン電子素子の電流−電
圧特性は、図３における（ａ）に示すような、通常のジ
ョセフソン素子のそれとなる。
と、その動作点は、ａを中心として図２中の「動作点の
軌跡」上を左右に移動する。高周波磁束が小さくその動
作点がｂやｄを越えない場合は、量子状態ｎ＝０が保た
れる。この場合、このジョセフソン電子素子の電流−電
圧特性は、図３における（ａ）に示すような、通常のジ
ョセフソン素子のそれとなる。
【００２４】高周波磁束が大きくなりその動作点がｂや
ｄを越えるようになると、量子状態の遷移が発生する。
外部からの磁束が増加し動作点がｂを横切ると磁束量子
が１個だけ超伝導ループ内に注入され、量子状態がｎ＝
１になる。
ｄを越えるようになると、量子状態の遷移が発生する。
外部からの磁束が増加し動作点がｂを横切ると磁束量子
が１個だけ超伝導ループ内に注入され、量子状態がｎ＝
１になる。
【００２５】次に、外部からの磁束が減少し動作点がｃ
を横切ると、超伝導ループ内の磁束量子が外部に排出さ
れ、量子状態がｎ＝０に戻る。
を横切ると、超伝導ループ内の磁束量子が外部に排出さ
れ、量子状態がｎ＝０に戻る。
【００２６】逆向きの磁束が増加して動作点がｄ及びｅ
を横切るときは、量子状態ｎ＝０からｎ＝−１への遷移
及びｎ＝−１からｎ＝０への遷移が発生する。すなわ
ち、高周波磁束の１周期に対して、磁束量子の注入・排
出が２回発生する。このとき、ジョセフソン素子の両端
に発生する電圧Ｖdcは、交流ジョセフソン効果により、 Ｖdc＝ｍΦ0 ｆ …（１） となる。ここでｍ＝整数であり、この場合は高周波磁束
の１周期に対して、磁束量子の注入・排出が２回発生す
ることからｍ＝２となる。この時、電流−電圧特性上に
は、図３における（ｂ）に示すようにＶdc＝２Φ0 ｆの
定電圧ステップが出現する。
を横切るときは、量子状態ｎ＝０からｎ＝−１への遷移
及びｎ＝−１からｎ＝０への遷移が発生する。すなわ
ち、高周波磁束の１周期に対して、磁束量子の注入・排
出が２回発生する。このとき、ジョセフソン素子の両端
に発生する電圧Ｖdcは、交流ジョセフソン効果により、 Ｖdc＝ｍΦ0 ｆ …（１） となる。ここでｍ＝整数であり、この場合は高周波磁束
の１周期に対して、磁束量子の注入・排出が２回発生す
ることからｍ＝２となる。この時、電流−電圧特性上に
は、図３における（ｂ）に示すようにＶdc＝２Φ0 ｆの
定電圧ステップが出現する。
【００２７】また、高周波磁束の振幅を大きくしていく
と、その動作点がｆやｈを横切るようになり、高周波磁
束の１周期に対して、磁束量子の注入・排出が４回発生
する。この場合はｍ＝４となり、ＶLdc ＝４Φ0 ｆの定
電圧ステップが出現する。このように、偶数次の定電圧
ステップを生じさせることができる。
と、その動作点がｆやｈを横切るようになり、高周波磁
束の１周期に対して、磁束量子の注入・排出が４回発生
する。この場合はｍ＝４となり、ＶLdc ＝４Φ0 ｆの定
電圧ステップが出現する。このように、偶数次の定電圧
ステップを生じさせることができる。
【００２８】更に、直流磁束をオフセットとして印加す
ると別の動作モードが実現できる。
ると別の動作モードが実現できる。
【００２９】まず、直流バイアス電流と直流外部磁束を
同時に印加し、動作点をｂとｃの間にセットする。この
時は、ｎ＝０もしくはｎ＝１の量子状態が保たれてお
り、外部からの高周波磁束が小さく、その動作点がｂや
ｃを横切らない限り、その電流−電圧特性は、図３にお
ける（ａ）に示すような、通常のジョセフソン素子のそ
れとなる。
同時に印加し、動作点をｂとｃの間にセットする。この
時は、ｎ＝０もしくはｎ＝１の量子状態が保たれてお
り、外部からの高周波磁束が小さく、その動作点がｂや
ｃを横切らない限り、その電流−電圧特性は、図３にお
ける（ａ）に示すような、通常のジョセフソン素子のそ
れとなる。
【００３０】高周波磁束が大きくなりその動作点がｂや
ｃを横切るようになると、量子状態の遷移が発生する。
外部からの磁束が増加し動作点がｂを越えると磁束量子
が１個だけ超伝導ループ内に注入され、量子状態がｎ＝
１となる。
ｃを横切るようになると、量子状態の遷移が発生する。
外部からの磁束が増加し動作点がｂを越えると磁束量子
が１個だけ超伝導ループ内に注入され、量子状態がｎ＝
１となる。
【００３１】次に、外部からの磁束が減少し動作点がｃ
を越えると、超伝導ループ内の磁束量子が外部に排出さ
れ、量子状態がｎ＝０に戻る。すなわち、高周波磁束の
１周期に対して、磁束量子の注入・排出が１回発生す
る。この場合は、（１）式においてｍ＝１の定電圧が発
生することになる。この時の電流−電圧特性上には、図
３における（ｃ）に示すように、Ｖdc＝Φ0 ｆの定電圧
ステップが出現する。高周波磁束の振幅を大きくしてい
くと、ｎ＝２やｎ＝−１への量子状態への遷移が発生す
るが、磁束量子の注入・排出は高周波磁束の１周期に対
して奇数回に限られる。すなわち、奇数次の定電圧ステ
ップのみを発生させることができる。
を越えると、超伝導ループ内の磁束量子が外部に排出さ
れ、量子状態がｎ＝０に戻る。すなわち、高周波磁束の
１周期に対して、磁束量子の注入・排出が１回発生す
る。この場合は、（１）式においてｍ＝１の定電圧が発
生することになる。この時の電流−電圧特性上には、図
３における（ｃ）に示すように、Ｖdc＝Φ0 ｆの定電圧
ステップが出現する。高周波磁束の振幅を大きくしてい
くと、ｎ＝２やｎ＝−１への量子状態への遷移が発生す
るが、磁束量子の注入・排出は高周波磁束の１周期に対
して奇数回に限られる。すなわち、奇数次の定電圧ステ
ップのみを発生させることができる。
【００３２】これまでの超伝導量子干渉素子において
は、このような高周波磁束駆動方式は採用されていな
い。この方式においては、ステップ電圧は量子状態から
決定され、その精度は印加高周波磁束の精度に依存し、
現在の電磁波周波数の安定度からみて、その誤差は１０
-10 オーダーでしかない。また高周波磁束は、高周波電
流や高周波電圧とは異なった印加方法が可能となる。こ
れらの特徴を利用することで、次の３種類の応用が可能
となる。
は、このような高周波磁束駆動方式は採用されていな
い。この方式においては、ステップ電圧は量子状態から
決定され、その精度は印加高周波磁束の精度に依存し、
現在の電磁波周波数の安定度からみて、その誤差は１０
-10 オーダーでしかない。また高周波磁束は、高周波電
流や高周波電圧とは異なった印加方法が可能となる。こ
れらの特徴を利用することで、次の３種類の応用が可能
となる。
【００３３】（１）高感度高周波電磁波検出器 現在、実用に供せられているジョセフソン電磁波検出器
においては、電磁波がアンテナとなる電極に入射したこ
とによって生じる電流をそのままジョセフソン素子に注
入し、ジョセフソン素子の非線形特性に起因する電圧ス
テップ（シャピロステップ）の出現を利用している。し
かし、図４に示したように、ステップの大きさや出現す
るバイアス電流値は電界の強さに強く依存し、その利用
にあたっては、バイアス電流値が適切な値となるよう、
常に調整する必要があった。
においては、電磁波がアンテナとなる電極に入射したこ
とによって生じる電流をそのままジョセフソン素子に注
入し、ジョセフソン素子の非線形特性に起因する電圧ス
テップ（シャピロステップ）の出現を利用している。し
かし、図４に示したように、ステップの大きさや出現す
るバイアス電流値は電界の強さに強く依存し、その利用
にあたっては、バイアス電流値が適切な値となるよう、
常に調整する必要があった。
【００３４】これに対して、本発明におけるジョセフソ
ン素子においては、その電圧ステップが出現するバイア
ス電流値は量子状態図により決定され、図５に示すよう
に、常に大きな電圧ステップが出現し、かつ、そのとき
のバイアス電流値はほとんど一定であることから、従来
の方式のようなバイアス電流の調整が不要となる。
ン素子においては、その電圧ステップが出現するバイア
ス電流値は量子状態図により決定され、図５に示すよう
に、常に大きな電圧ステップが出現し、かつ、そのとき
のバイアス電流値はほとんど一定であることから、従来
の方式のようなバイアス電流の調整が不要となる。
【００３５】また、電磁波の検出においては、その出力
電圧が大きい程、高感度な検出器として動作する。
電圧が大きい程、高感度な検出器として動作する。
【００３６】図６にジョセフソンビデオ検波の原理図を
示す。ジョセフソンビデオ検波においては、電磁波が入
射したときと入射しないときの電流−電圧特性の差を用
いているため、シャピロステップ（電圧ステップ）の高
さが大きい程、その出力電圧は大きくなる。
示す。ジョセフソンビデオ検波においては、電磁波が入
射したときと入射しないときの電流−電圧特性の差を用
いているため、シャピロステップ（電圧ステップ）の高
さが大きい程、その出力電圧は大きくなる。
【００３７】本発明におけるジョセフソン素子において
は、図３に示したように、シャピロステップが超伝導臨
界電流以下で出現することから、２Φ0 ｆの電圧と０電
圧を電磁波の入射、非入射時に対応させることが可能
で、出力電圧振幅を大きくとることが可能となり、すな
わち高感度高周波電磁波検出器として機能する。
は、図３に示したように、シャピロステップが超伝導臨
界電流以下で出現することから、２Φ0 ｆの電圧と０電
圧を電磁波の入射、非入射時に対応させることが可能
で、出力電圧振幅を大きくとることが可能となり、すな
わち高感度高周波電磁波検出器として機能する。
【００３８】また、電磁波の供給方法としては、以下の
ような導波管内への集積チップの固定や、レーザー光を
用いた方法が使用できる。
ような導波管内への集積チップの固定や、レーザー光を
用いた方法が使用できる。
【００３９】すなわち、図７には、導波管内に集積チッ
プを配置することにより、全ての素子に一括して高周波
磁束を印加する方法が示されている。
プを配置することにより、全ての素子に一括して高周波
磁束を印加する方法が示されている。
【００４０】この方法では、導波管３１内に集積チップ
３２を配置するため、高周波電流を集積チップ３２内に
供給する必要がない。すなわち、周波数に依存したチッ
プの設計が不要になる。
３２を配置するため、高周波電流を集積チップ３２内に
供給する必要がない。すなわち、周波数に依存したチッ
プの設計が不要になる。
【００４１】図８には、レーザー光を用いた高周波磁束
の印加方法が示されている。
の印加方法が示されている。
【００４２】この方法は、レーザー光４１を集光レンズ
４２を介して集積チップ４３に照射するようにしてお
り、上記した導波管３１を用いた方法と同様に、周波数
に依存したチップの設計が不要となると共に、印加磁束
の周波数を遠赤外線領域以上に拡大することができる。
４２を介して集積チップ４３に照射するようにしてお
り、上記した導波管３１を用いた方法と同様に、周波数
に依存したチップの設計が不要となると共に、印加磁束
の周波数を遠赤外線領域以上に拡大することができる。
【００４３】（２）利得の大きな増幅器 上述のように、本発明の高周波磁束駆動超伝導量子干渉
素子においては、直流オフセット磁束を変化させること
で、出現するステップの次数を制御することができる。
このことから、本発明の高周波磁束駆動超伝導量子干渉
素子を電圧増幅器として用いることができる。
素子においては、直流オフセット磁束を変化させること
で、出現するステップの次数を制御することができる。
このことから、本発明の高周波磁束駆動超伝導量子干渉
素子を電圧増幅器として用いることができる。
【００４４】図９は本発明の実施例を示す利得の大きな
増幅機能を有する高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子の
構成図、図１０はその動作点を示す図である。
増幅機能を有する高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子の
構成図、図１０はその動作点を示す図である。
【００４５】図９において、Ｊ１，Ｊ２はジョセフソン
素子、Ｌ１〜Ｌ４は超伝導インダクタ、５１，５２は電
流端子、５３は負荷抵抗ＲL 、５４，５５，５６，５７
はアース端子、５８は高周波磁束用の電源（外部電
源）、５９は直流電源（Ｖin）、ＲB ，Ｒinは抵抗であ
る。
素子、Ｌ１〜Ｌ４は超伝導インダクタ、５１，５２は電
流端子、５３は負荷抵抗ＲL 、５４，５５，５６，５７
はアース端子、５８は高周波磁束用の電源（外部電
源）、５９は直流電源（Ｖin）、ＲB ，Ｒinは抵抗であ
る。
【００４６】図９においては、図１に示した基本構成に
外部電源、入力線、出力線を加え、かつインダクタＬ
３，Ｌ４の大きさを０としている。またジョセフソン素
子の臨界電流値とノーマル抵抗値をそれぞれＩc 、Ｒn
とする。なお、入力線と素子との結合には相互インダク
タンス（結合係数ｋ）を用いている。外部の電圧源ＶB
５１から直流バイアス電流Ｉdcを供給し、また、高周波
電流Ｉrfによって発生する高周波磁束を相互インダクタ
ンス（結合係数ｋ）を介して素子に印加する。入力電圧
Ｖin（入力電流Ｉin）を増幅し、出力電圧ＶL （出力電
流ＩL ）を得るものである。
外部電源、入力線、出力線を加え、かつインダクタＬ
３，Ｌ４の大きさを０としている。またジョセフソン素
子の臨界電流値とノーマル抵抗値をそれぞれＩc 、Ｒn
とする。なお、入力線と素子との結合には相互インダク
タンス（結合係数ｋ）を用いている。外部の電圧源ＶB
５１から直流バイアス電流Ｉdcを供給し、また、高周波
電流Ｉrfによって発生する高周波磁束を相互インダクタ
ンス（結合係数ｋ）を介して素子に印加する。入力電圧
Ｖin（入力電流Ｉin）を増幅し、出力電圧ＶL （出力電
流ＩL ）を得るものである。
【００４７】図１０に示すように、動作原理は次の通り
である。
である。
【００４８】入力信号Ｉinが小さい場合には、その動作
点は電流−電圧特性上のＡ点（零電圧）となるが、入力
信号Ｉinが素子にΦ0 ／２を与えられるだけ増加する
と、その動作点が、Ｂ点（電圧＝ｆΦ0 ）に移動し、素
子の電圧が増加、かつ負荷抵抗ＲL ５３に流れる電流値
が増加する。
点は電流−電圧特性上のＡ点（零電圧）となるが、入力
信号Ｉinが素子にΦ0 ／２を与えられるだけ増加する
と、その動作点が、Ｂ点（電圧＝ｆΦ0 ）に移動し、素
子の電圧が増加、かつ負荷抵抗ＲL ５３に流れる電流値
が増加する。
【００４９】ここで、電圧増幅度と高周波磁束の周波数
の関係を示す。図９の構成においては、電圧増幅度Ｋv
は、 Ｋv ＝出力電圧／入力電圧＝ｆΦ0 ／ＩinＲin …（２） で表される。
の関係を示す。図９の構成においては、電圧増幅度Ｋv
は、 Ｋv ＝出力電圧／入力電圧＝ｆΦ0 ／ＩinＲin …（２） で表される。
【００５０】ここで、Ｌの値をＬＩc ＝Φ0 ／２を満た
す値に選ぶと、素子にΦ0 ／２だけの磁束を与えるのに
必要な入力電流Ｉinは、 Ｉin＝Ｉc …（３） となる。また、入力抵抗と負荷抵抗の大きさを ＲL ＝Ｒin＝Ｒn ／２ …（４） と選ぶと、（３）式と（４）式に代入することで、 Ｋv ＝２ｆΦ0 ／Ｉc Ｒn …（５） となる。分母のＩc Ｒn 積はジョセフソン素子の品質を
表すパラメータの一つであり、これは基本的には使用す
るジョセフソン素子の材料と動作温度で決定される。す
なわち、素子の構成と動作環境が決定されると、増幅度
は周波数ｆにのみ依存し、増幅度と周波数との間には比
例関係が成り立つことが分かる。ここで典型的な値であ
るＩc Ｒn ＝０．５ｍＶを仮定する、Ｋv ＞１となるた
めの周波数の条件は、ｆ＞１２０ＧＨｚとなる。
す値に選ぶと、素子にΦ0 ／２だけの磁束を与えるのに
必要な入力電流Ｉinは、 Ｉin＝Ｉc …（３） となる。また、入力抵抗と負荷抵抗の大きさを ＲL ＝Ｒin＝Ｒn ／２ …（４） と選ぶと、（３）式と（４）式に代入することで、 Ｋv ＝２ｆΦ0 ／Ｉc Ｒn …（５） となる。分母のＩc Ｒn 積はジョセフソン素子の品質を
表すパラメータの一つであり、これは基本的には使用す
るジョセフソン素子の材料と動作温度で決定される。す
なわち、素子の構成と動作環境が決定されると、増幅度
は周波数ｆにのみ依存し、増幅度と周波数との間には比
例関係が成り立つことが分かる。ここで典型的な値であ
るＩc Ｒn ＝０．５ｍＶを仮定する、Ｋv ＞１となるた
めの周波数の条件は、ｆ＞１２０ＧＨｚとなる。
【００５１】素子本体の消費電力は、おおよそ（２
Ｉc ）2 Ｒn ／２＝２Ｉc 2 Ｒn で与えられる。上述の
Ｉc Ｒn ＝０．５ｍＶに加えて、Ｉc の典型的な値であ
るＩc ＝１００μＡを仮定した場合、その消費電力はお
およそ０．１μＷとなる。これは既存のジョセフソン素
子の消費電力と同じオーダーである。
Ｉc ）2 Ｒn ／２＝２Ｉc 2 Ｒn で与えられる。上述の
Ｉc Ｒn ＝０．５ｍＶに加えて、Ｉc の典型的な値であ
るＩc ＝１００μＡを仮定した場合、その消費電力はお
およそ０．１μＷとなる。これは既存のジョセフソン素
子の消費電力と同じオーダーである。
【００５２】素子の動作速度の限界は、印加する高周波
磁界の周波数ｆに依存する。すなわちナイキストの標本
化定理より、入力信号の最大周波数ｆsignalは ｆsignal＜ｆ／２ …（６） を満たす必要がある。
磁界の周波数ｆに依存する。すなわちナイキストの標本
化定理より、入力信号の最大周波数ｆsignalは ｆsignal＜ｆ／２ …（６） を満たす必要がある。
【００５３】上述のＫv ＞１が満たされる条件において
は、ｆsignal＜６０ＧＨｚとなり、高速動作が可能であ
る。
は、ｆsignal＜６０ＧＨｚとなり、高速動作が可能であ
る。
【００５４】また、高周波磁束用の電源５８を、図１１
に示すような構成とすることにより、外部からの供給電
流を直流に統一することができる。
に示すような構成とすることにより、外部からの供給電
流を直流に統一することができる。
【００５５】この方法では、まず、外部から電源用のジ
ョセフソン素子５８Ｂに臨界電流以上の直流電流を印加
し、ジョセフソン素子を電圧状態に遷移させる。このと
きジョセフソン接合の両端には直流成分を含んだ高周波
電圧が発生するが、その周波数は接合両端電圧の直流成
分と交流ジョセフソン効果の式から知ることができる。
この高周波電圧を利用して超伝導量子干渉素子に高周波
電流Ｉrfを印加するため、出力端を容量結合とし、図９
に示されるＬ1 ，Ｌ2 と電源用の容量５８Ｃを用いたＬ
ＲＣ共振フィルタの原理を用いて、電源用のジョセフソ
ン素子５８Ｂからの出力電流の高周波成分のみを取り出
す。
ョセフソン素子５８Ｂに臨界電流以上の直流電流を印加
し、ジョセフソン素子を電圧状態に遷移させる。このと
きジョセフソン接合の両端には直流成分を含んだ高周波
電圧が発生するが、その周波数は接合両端電圧の直流成
分と交流ジョセフソン効果の式から知ることができる。
この高周波電圧を利用して超伝導量子干渉素子に高周波
電流Ｉrfを印加するため、出力端を容量結合とし、図９
に示されるＬ1 ，Ｌ2 と電源用の容量５８Ｃを用いたＬ
ＲＣ共振フィルタの原理を用いて、電源用のジョセフソ
ン素子５８Ｂからの出力電流の高周波成分のみを取り出
す。
【００５６】この方法を用いることにより、外部電源を
直流に統一することができ、外部高周波電源によって生
じる可能性のある雑音や電位の揺らぎの問題、および高
周波電流分配回路の設計の問題が回避される。
直流に統一することができ、外部高周波電源によって生
じる可能性のある雑音や電位の揺らぎの問題、および高
周波電流分配回路の設計の問題が回避される。
【００５７】集積化においては、各超伝導量子干渉素子
に対して電源用のジョセフソン素子５８Ｂと容量５８Ｃ
を用意することにより、１つの電源部５８Ａの電力を抑
えることができる。
に対して電源用のジョセフソン素子５８Ｂと容量５８Ｃ
を用意することにより、１つの電源部５８Ａの電力を抑
えることができる。
【００５８】（３）高感度高帯域磁束計 従来の超伝導量子干渉素子を利用した磁束計において
は、ある直流バイアス電流を印加した状態で、素子に加
えられた磁束の量を電圧として検出していた。その出力
電圧は、直流バイアス電流と印加磁束とで一意に決めら
れており、超伝導量子干渉素子の感度を変化させること
はできなかった。
は、ある直流バイアス電流を印加した状態で、素子に加
えられた磁束の量を電圧として検出していた。その出力
電圧は、直流バイアス電流と印加磁束とで一意に決めら
れており、超伝導量子干渉素子の感度を変化させること
はできなかった。
【００５９】これに対して本発明の超伝導量子干渉素子
を磁束計として用いた場合、直流磁束Ｂdcを被検出磁束
とすることで、上述の増幅動作を利用した磁束の計測を
行うことができる。
を磁束計として用いた場合、直流磁束Ｂdcを被検出磁束
とすることで、上述の増幅動作を利用した磁束の計測を
行うことができる。
【００６０】図１２にその超伝導量子干渉素子の出力電
圧の外部磁束依存性を示す。
圧の外部磁束依存性を示す。
【００６１】図１０の場合と同様に印加磁束が０の場合
は零電圧状態、印加磁束がΦ0 ／２近傍ではｆΦ0 の直
流電圧が発生する。その出力電圧は高周波磁束の周波数
ｆに比例することから、素子の感度は可変となり、微弱
な磁束に対しては周波数を高く、大きな磁束に対しては
周波数を低く設定することで、広いダイナミックレンジ
の磁束を検出することが可能となる。すなわち、高感度
広帯域磁束計として機能する。
は零電圧状態、印加磁束がΦ0 ／２近傍ではｆΦ0 の直
流電圧が発生する。その出力電圧は高周波磁束の周波数
ｆに比例することから、素子の感度は可変となり、微弱
な磁束に対しては周波数を高く、大きな磁束に対しては
周波数を低く設定することで、広いダイナミックレンジ
の磁束を検出することが可能となる。すなわち、高感度
広帯域磁束計として機能する。
【００６２】本発明の超伝導量子干渉素子の磁束感度Ｓ
は、図１２から分かるように被検出磁束に対して非線形
に変化するが、その平均感度は次式で与えられる。
は、図１２から分かるように被検出磁束に対して非線形
に変化するが、その平均感度は次式で与えられる。
【００６３】 Ｓ＝δＶdc／δＢ＝ｆΦ0 ／（Φ0 ／２）＝２ｆ …（７） すなわち、高周波磁束の周波数ｆに比例することにな
る。
る。
【００６４】従来の超伝導量子干渉素子を用いた磁束計
の典型的な感度は、１μＶ／Φ0 ＝５×１０9 （Ｈｚ）
であることから、本発明の超伝導量子干渉素子におい
て、例えばｆを１００ＧＨｚとすることで、従来の磁束
計にくらべて２０倍の感度を得ることができる。
の典型的な感度は、１μＶ／Φ0 ＝５×１０9 （Ｈｚ）
であることから、本発明の超伝導量子干渉素子におい
て、例えばｆを１００ＧＨｚとすることで、従来の磁束
計にくらべて２０倍の感度を得ることができる。
【００６５】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００６６】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下の効果を奏する。
よれば、以下の効果を奏する。
【００６７】（Ａ）ステップ電圧は量子状態から決定さ
れ、その精度は印加高周波磁束の精度に依存し、現在の
電磁波周波数の安定度からみて、その誤差を極力低減す
ることができる（因みに、その誤差は、１０-10 オーダ
ーである）。
れ、その精度は印加高周波磁束の精度に依存し、現在の
電磁波周波数の安定度からみて、その誤差を極力低減す
ることができる（因みに、その誤差は、１０-10 オーダ
ーである）。
【００６８】また、高周波磁束は、高周波電流や高周波
電圧とは異なった印加方法が可能となる。
電圧とは異なった印加方法が可能となる。
【００６９】（Ｂ）ジョセフソン電磁波検出に当たり、
電圧ステップが出現するバイアス電流値は量子状態図に
より決定され、常に大きな電圧ステップが出現し、かつ
そのときのバイアス電流値はほとんど一定であることか
ら、従来の方式のようなバイアス電流の調整が不要とな
る。
電圧ステップが出現するバイアス電流値は量子状態図に
より決定され、常に大きな電圧ステップが出現し、かつ
そのときのバイアス電流値はほとんど一定であることか
ら、従来の方式のようなバイアス電流の調整が不要とな
る。
【００７０】（Ｃ）直流オフセット磁束を変化させるこ
とで、出現する電圧ステップの次数を制御することがで
きる。このことから、本超伝導量子干渉素子を電圧増幅
器として用いることができる。
とで、出現する電圧ステップの次数を制御することがで
きる。このことから、本超伝導量子干渉素子を電圧増幅
器として用いることができる。
【００７１】（Ｄ）超伝導量子干渉素子を磁束計として
用いた場合、直流磁束Ｂdcを被検出磁束とすることによ
り、上述の増幅動作を利用した磁束の計測を行うことが
できる。
用いた場合、直流磁束Ｂdcを被検出磁束とすることによ
り、上述の増幅動作を利用した磁束の計測を行うことが
できる。
【図１】本発明の実施例を示す２個のジョセフソン素子
および超伝導インダクタから構成される超伝導量子干渉
素子の回路図である。
および超伝導インダクタから構成される超伝導量子干渉
素子の回路図である。
【図２】本発明の実施例を示す超伝導量子干渉素子の外
部からの印加磁束Ｂexを横軸に、バイアス電流Ｉdcを縦
軸にとった場合の量子状態図である。
部からの印加磁束Ｂexを横軸に、バイアス電流Ｉdcを縦
軸にとった場合の量子状態図である。
【図３】本発明の実施例を示すジョセフソン電子素子の
電流−電圧特性図である。
電流−電圧特性図である。
【図４】従来の高周波電磁波検出器の問題点の説明図で
ある。
ある。
【図５】本発明に係る高周波電磁波検出器の利点の説明
図である。
図である。
【図６】本発明に係るジョセフソンビデオ検波の原理図
を示す図である。
を示す図である。
【図７】本発明に係る導波管内に集積チップを配置する
ことで、全ての素子に一括して高周波磁束を印加する方
法を示す図である。
ことで、全ての素子に一括して高周波磁束を印加する方
法を示す図である。
【図８】本発明に係るレーザー光を用いた高周波磁束の
印加方法を示す図である。
印加方法を示す図である。
【図９】本発明の実施例を示す利得の大きな増幅機能を
有する高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子の構成図であ
る。
有する高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子の構成図であ
る。
【図１０】本発明の実施例を示す利得の大きな増幅機能
を有する高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子の動作点を
示す図である。
を有する高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子の動作点を
示す図である。
【図１１】図９に示す高周波磁束用の電源の構成を示す
図である。
図である。
【図１２】本発明の実施例を示す超伝導量子干渉素子の
出力電圧の外部磁束依存性を示す図である。
出力電圧の外部磁束依存性を示す図である。
Ｊ１〜Ｊｎ ジョセフソン素子 Ｌ１〜Ｌ６ 超伝導インダクタ Ｌｍ 相互インダクタンス １０ 超伝導量子干渉素子 １１，１２，５１，５２ 電流端子 １３，１４ 電圧端子 Ｂex 外部からの印加磁束 Ｉdc 直流バイアス電流 Ｂdc 直流磁束 Ｂrf 高周波磁束 ３１ 導波管 ３２，４３ 集積チップ ４１ レーザー光 ４２ 集光レンズ ５３ 負荷抵抗ＲL ５４，５５，５６，５７ アース端子 ５８ 高周波磁束用の電源（外部電源） ５８Ａ 電源部 ５８Ｂ 電源用のジョセフソン素子 ５８Ｃ 電源用の容量 ５９ 直流電源（Ｖin） ＲB ，Ｒin 抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−125357（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−26086（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−74484（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−206530（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−75876（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18 H01L 39/22 ZAA
Claims (7)
- 【請求項１】（ａ）２個以上のジョセフソン素子と超伝
導インダクタから構成される超伝導量子干渉素子を備
え、 （ｂ）該超伝導量子干渉素子に高周波磁束Ｂrfおよび直
流磁束Ｂdcを印加し、前記高周波磁束Ｂrfにより発生す
る磁束量子の超伝導ループ内への注入・排出を行うとと
もに、前記ジョセフソン素子の非線形特性に起因する電
圧ステップが出現するバイアス電流値は量子状態により
決定され、常に大きな電圧ステップが出現し、かつその
ときのバイアス電流値が殆ど一定であることを利用し
て、高周波電磁波の検出を行うことを特徴とする高周波
磁束駆動超伝導量子干渉素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の高周波磁束駆動超伝導量
子干渉素子において、前記ジョセフソン素子の非線形特
性に起因する電圧ステップが超伝導臨界電流以下で出現
することから、２Φ0 ｆの電圧と０電圧を電磁波の入
射、非入射時に対応させ、出力電圧振幅を大きくとるこ
とにより、高感度高周波電磁波検出を行うことを特徴と
する高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子。 - 【請求項３】 請求項２記載の高周波磁束駆動超伝導量
子干渉素子において、前記超伝導量子干渉素子を集積し
てチップ化し、該チップ化された素子に一括して高周波
磁束を印加することを特徴とする高周波磁束駆動超伝導
量子干渉素子。 - 【請求項４】 請求項３記載の高周波磁束駆動超伝導量
子干渉素子において、前記チップ化された素子を導波管
内に配置することにより、前記素子に一括して高周波磁
束を印加することを特徴とする高周波磁束駆動超伝導量
子干渉素子。 - 【請求項５】 請求項３記載の高周波磁束駆動超伝導量
子干渉素子において、レーザー光を集光レンズを介して
前記集積されたチップに照射することにより、印加磁束
の周波数を遠赤外線領域以上に拡大することを特徴とす
る高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子。 - 【請求項６】（ａ）２個以上のジョセフソン素子と超伝
導インダクタから構成される超伝導量子干渉素子を備
え、 （ｂ）該超伝導量子干渉素子に高周波磁束Ｂ rf および直
流磁束Ｂ dc を印加し、前記高周波磁束Ｂ rf により発生す
る磁束量子の超伝導ループ内への注入・排出を行うとと
もに、 前記直流磁束Ｂdcを変化させることにより、出現
するジョセフソン素子の非線形特性に起因する電圧ステ
ップの次数を制御することにより、電圧増幅を行わせる
ことを特徴とする高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子。 - 【請求項７】 請求項６記載の高周波磁束駆動超伝導量
子干渉素子において、前記直流磁束Ｂdcを被検出磁束と
することにより、前記電圧ステップの次数を制御するこ
とにより、電圧増幅を行わせ、磁束の計測を行うことを
特徴とする高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15317399A JP3148741B2 (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15317399A JP3148741B2 (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000338209A JP2000338209A (ja) | 2000-12-08 |
| JP3148741B2 true JP3148741B2 (ja) | 2001-03-26 |
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ID=15556659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15317399A Expired - Fee Related JP3148741B2 (ja) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | 高周波磁束駆動超伝導量子干渉素子 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3148741B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| KR102174976B1 (ko) | 2015-12-16 | 2020-11-05 | 구글 엘엘씨 | 동평면 도파관 플럭스 큐비트를 이용한 프로그램 가능한 범용 양자 어닐링 |
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- 1999-06-01 JP JP15317399A patent/JP3148741B2/ja not_active Expired - Fee Related
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