JP3672957B2 - 直流駆動型超伝導量子干渉素子 - Google Patents

直流駆動型超伝導量子干渉素子 Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は高感度電磁気センサ、磁束計、電流計、変位計、または高周波信号増幅器などに応用する直流駆動型超伝導量子干渉素子(以下DC SQUIDと称する)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図3に従来のDC SQUIDの代表的な等価回路図を示す。
ワッシャーコイル4の両端に接続された2個のジョセフソン接合1により超伝導ループを形成する。それぞれのジョセフソン接合1には、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗2が並列接続され、またワッシャーコイルの両端にはワッシャーコイルでの不必要な共振を抑制するためのダンピング抵抗3が並列接続されている。図示しない検出コイルで検出した被検出磁界は、ワッシャーコイル4と磁束結合した入力コイル5を介してワッシャーコイル4に入力される。さらにワッシャーコイル4にはFLL(フラックス・ロックト・ループ)回路を用いて駆動させるための帰還変調コイル6が磁束結合されている。そしてこの超伝導ループには、ワッシャーコイル4の中間部、および2個のジョセフソン接合1の接続部にそれぞれバイアス配線7が接続され、全体としてDC SQUIDを構成している。
【0003】
DC SQUIDは、バイアス配線7より定電流を印加した状態で入力コイル5を介してワッシャーコイル4内に磁束Φが入力されると、出力電圧すなわち2つのバイアス配線7の端子間の電圧は入力された磁束Φの大きさに対応して周期的に変化し、その周期は1磁束量子Φ0 (2.07×10-15 Wb)となる。
【0004】
DC SQUIDを磁束計として使用する場合には、出力電圧の変化が大きいほど、感度が良くなり、性能は向上する。そこで従来は、DC SQUIDを直列に複数個接続して、出力電圧を大きくする試みが成されていた。図4はDC SQUIDを2個直列に接続した場合の等価回路である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような構成で複数のDC SQUIDを直列接続した場合、個々のDC SQUIDを構成しているジョセフソン接合、シャント抵抗、ダンピング抵抗、ワッシャーコイル、入力コイル、帰還変調コイルなどの各要素が直列に接続する数だけ必要となり、回路規模が大きくなる。特にDC SQUIDを薄膜プロセスで形成する場合、ワッシャーコイル、入力コイル、帰還変調コイルなどの広い平面積を必要とする要素を個々のDC SQUID毎に形成することは、素子の小型化を図るうえ大きな障害となるという課題があった。また、複数個あるDC SQUIDはそれぞれ独立に電磁気センサとして動作するため、例えば超伝導状態に転移する瞬間に残留磁束が超伝導膜中の閉じこめてしまうために生じる磁束トラップの影響により、各DC SQUID間の入力磁束に対する出力電圧の位相が揃わず、確実に複数個分の出力電圧を得ることが困難であった。
【0006】
本発明の目的は、回路規模の拡大を抑えつつ、出力電圧を増大させることが可能な構成を有するDC SQUIDを提供することにある。
【0007】
上記の課題を解決するために、2個のジョセフソン接合からなる第1のジョセフソン接合対と、第1のジョセフソン接合対と環状に接続され第1の超伝導ループを形成するワッシャーコイルと、ワッシャーコイルの少なくとも一部を共有して環状に接続され、第2の超伝導ループを形成する2個のジョセフソン接合からなる第2のジョセフソン接合対と、ワッシャーコイルと磁気結合された入力コイルおよび帰還変調コイルと、前記第1のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合が前記第2のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合と直列に接続し、前記第1のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合が前記第2のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合と直列に接続するDCSQUIDを構成した。
【0008】
また、上記DC SQUIDにおいて、第1のジョセフソン接合対の、ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第1のバイアス電流端子と、第2のジョセフソン接合対の、ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第2のバイアス電流端子とを有し、第1および第2のバイアス電流端子からバイアス電流を印加する構成とした。
【0009】
ここで、上記ワッシャーコイルは複数のコイルからなり各々のコイルが直列接続または並列接続あるいは、直列接続と並列接続を組合せた構成であってもよい。
上記DC SQUIDにおいてさらに、第2のジョセフソン接合対の、ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子の間に接続された第2のワッシャーコイルと、第2のワッシャーコイルと環状に接続され、第3の超伝導ループを形成する2個のジョセフソン接合からなる第3のジョセフソン接合対を有する構成も可能である。
【0010】
そして、上記DC SQUIDの第1および第2のジョセフソン接合対を構成する各々のジョセフソン接合にそれぞれ並列にシャント抵抗を接続し、またワッシャーコイルに並列にダンピング抵抗を接続することも同様に可能である。
【0011】
【作用】
上記のように構成されたDC SQUIDは、1つのワッシャーコイルを2組のジョセフソン接合対で共有する。すなわち1つのワッシャーコイルを介して2つの超伝導ループを形成するため、専有面積を殆ど増やさずに、ワッシャーコイルに入力される磁束に対する出力電圧を理論的に2倍にすることができる。また、ワッシャーコイルの数が1つであり、磁束による位相を揃える必要がないため、出力電圧を確実に大きくできる。さらに超伝導ループを3つあるいはそれ以上形成することにより、専有面積の増加と比較した出力電圧の増分をより大きくすることができる。
【0012】
【実施例】
以下に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図1は本発明の第1実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
ワッシャーコイル4の両端に2個のジョセフソン接合1a、1bからなるジョセフソン接合対が環状に接続されており、ワッシャーコイル4−ジョセフソン接合1a−1bにより1つの超伝導ループを形成している。さらに、2個のジョセフソン接合1c、1dからなるジョセフソン接合対も、同じワッシャーコイル4の両端に環状に接続されており、ワッシャーコイル4−ジョセフソン接合1c−1dにより別の超伝導ループを形成している。それぞれの超伝導ループは1個のワッシャーコイル4の全体を共有し合う形で結合されている。バイアス電流は超伝導ループを形成する2個のジョセフソン接合1a、1bの間に接続されたバイアス配線7から挿入し、もう一方の超伝導ループを形成するジョセフソン接合1c、1dの間に接続された別のバイアス配線7から引き出す。
【0013】
それぞれのジョセフソン接合1a、1b、1c、1dには、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗2a、2b、2c、2dがそれぞれ並列接続され、またワッシャーコイル4の両端にはワッシャーコイルでの共振を抑制するためのダンピング抵抗3が並列接続されている。図示しない検出コイルで検出した被検出磁界は、ワッシャーコイル4と磁束結合した入力コイル5を介してワッシャーコイル4に入力される。さらにワッシャーコイル4にはFLL(フラックス・ロック・ループ)回路を用いて帰還電流、変調電流を流し、DC SQUIDを駆動させるための帰還変調コイル6が磁束結合されている。DC SQUIDとしての出力電圧は、上下それぞれのバイアス配線7の両端子から取り出され、プリアンプ、位相検波器、積分器からなるFLL回路等の、図示しない信号処理回路に入力される。
【0014】
図2には、本発明の第1実施例の等価回路図を薄膜プロセスで形成した場合の平面図を示す。回路規模は従来のDC SQUIDとほとんど変わらない。すなわち、広い平面積を必要とするワッシャーコイル、入力コイル、帰還変調コイルなどの要素をジョセフソン接合対1a、1bとジョセフソン接合対1c、1dで兼用しているため、従来の構造のDC SQUIDに対して、ジョセフソン接合対1c、1dとシャント抵抗2c、2dの要素部分を追加するだけで、特に複雑な構造にすることなく、約2倍の出力電圧を得ることが可能である。実際に試作したDC SQUIDで、2倍近い値の出力電圧が得られることが確認されている。
【0015】
また、バイアス配線7の引き回しも、例えば図4に示した従来のDC SQUIDを2個直列に接続した構成を薄膜プロセスで形成する場合に比べて大幅に簡素化できる。
図5は本発明の第2の実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
ワッシャーコイル4a、4b、4cと2個のジョセフソン接合1a、1bからなるジョセフソン接合対が環状に接続されており、1つの超伝導ループを形成している。さらに、ワッシャーコイル4d、4b、4eと2個のジョセフソン接合1c、1dからなるジョセフソン接合対も環状に接続されており、別の超伝導ループを形成している。それぞれの超伝導ループは3個直列に接続されたワッシャーコイルのうち真ん中のワッシャーコイル4bを共有し合う形で結合されている。
【0016】
バイアス電流は第1実施例と同様に、超伝導ループを形成する2個のジョセフソン接合1a、1bの間に接続されたバイアス配線7から挿入し、もう一方の超伝導ループを形成するジョセフソン接合1c、1dの間に接続された別のバイアス配線7から引き出す。
【0017】
それぞれのジョセフソン接合1a、1b、1c、1dには、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗2a、2b、2c、2dがそれぞれ並列接続され、また直列接続されたワッシャーコイル4a、4b、4cの両端およびワッシャーコイル4d、4b、4eの両端にはワッシャーコイルでの共振を抑制するためのダンピング抵抗3がそれぞれ並列接続されている。また入力コイル5、および帰還変調コイル6が第1実施例と同様ワッシャーコイル4に磁束結合されている。
【0018】
図1に示した第1実施例のワッシャーコイル4は単一のコイルで形成されたシングルワッシャー構造であるが、ワッシャーコイルを複数のコイルを直列あるいは並列に接続したマルチワッシャー構造とすることにより、信号磁束以外の磁束による生じる雑音電流を低減させS/N比を向上させることができる。
【0019】
例えば図6は本発明の第3の実施例を示すDC SQUIDの等価回路図であり、ワッシャーコイル4を2つ直列接続したものである。各々のワッシャーコイル4には並列にダンピング抵抗3が接続されている。また入力コイル5、および帰還変調コイル6が第1実施例と同様各々のワッシャーコイル4に磁束結合されている。そしてこのワッシャーコイル4の全体を、2個のジョセフソン接合1a、1bからなるジョセフソン接合対と、別の2個のジョセフソン接合1c、1dからなるジョセフソン接合対とが共有し合う形で結合されている。シャント抵抗2a、2b、2c、2d、バイアス配線7は第1実施例と同様に接続されている。この2つのワッシャーコイルを薄膜プロセスで、平面的に互いに逆巻き例えばS字状に形成することにより各々のワッシャーコイルに生じる雑音電流を相殺し、またワッシャーコイルに超伝導環電流が生じることを防止し、S/N比を向上させることができる。
【0020】
図7は本発明の第4の実施例を示すDC SQUIDの等価回路図であり、ワッシャーコイル4を2つ並列接続したものである。各々のワッシャーコイル4には並列にダンピング抵抗3が接続されている。また入力コイル5、および帰還変調コイル6が第1実施例と同様各々のワッシャーコイル4に磁束結合されている。そしてこのワッシャーコイル4の全体を、2個のジョセフソン接合1a、1bからなるジョセフソン接合対と、別の2個のジョセフソン接合1c、1dからなるジョセフソン接合対とが共有し合う形で結合されている。シャント抵抗2a、2b、2c、2d、バイアス配線7は第1実施例と同様に接続されている。この2つのワッシャーコイルを薄膜プロセスで、平面的に形成することにより各々のワッシャーコイルに生じる雑音電流を相殺してS/N比を向上させることができるとともに、各々のワッシャーコイルに対する入力コイルの巻数を半分にすることができる。
【0021】
以上に示した実施例は、超伝導ループを2つ直列に形成したものであるが、超伝導ループを3つあるいはそれ以上の数だけ直列に形成することにより、さらに出力電圧を増大させることもできる。
図8は本発明の第5の実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。2個のジョセフソン接合1a、1bからなるジョセフソン接合対とワッシャーコイル4aが環状に接続されており、ワッシャーコイル4a−ジョセフソン接合1a−1bにより1つ目の超伝導ループを形成している。さらに、ワッシャーコイル4aと2個のジョセフソン接合1c、1dからなるジョセフソン接合対とワッシャーコイル4bが環状に接続されており、ワッシャーコイル4a−ジョセフソン接合1c−ワッシャーコイル4b−ジョセフソン接合1dにより2つ目の超伝導ループを形成している。そして、ワッシャーコイル4bと2個のジョセフソン接合1e、1fからなるジョセフソン接合対が環状に接続されており、ワッシャーコイル4b−ジョセフソン接合1e−1fにより3つ目の超伝導ループを形成している。1つ目の超伝導ループと2つ目の超伝導ループはワッシャーコイル4aを共有し合う形で結合されている。また2つ目の超伝導ループと3つ目の超伝導ループはワッシャーコイル4bを共有し合う形で結合されている。バイアス電流は1つ目の超伝導ループを形成する2個のジョセフソン接合1a、1bの間に接続されたバイアス配線7から挿入し、3つ目の超伝導ループを形成するジョセフソン接合1e、1fの間に接続された別のバイアス配線7から引き出す。
【0022】
それぞれのジョセフソン接合1a、1b、1c、1d、1e、1fには、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗2a、2b、2c、2d、2e、2fがそれぞれ並列接続され、またワッシャーコイル4a、4bの両端にはワッシャーコイルでの共振を抑制するためのダンピング抵抗3がそれぞれ並列接続されている。また入力コイル5、および帰還変調コイル6が各々のワッシャーコイル4a、4bにそれぞれ磁束結合されている。
【0023】
この第5実施例の等価回路図を薄膜プロセスで形成した場合、従来の構造のDC SQUIDに対して、実質的にワッシャーコイル1つ分の面積増加で特に複雑な構造にすることなく約3倍の出力電圧を得ることが可能である。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、1つのワッシャーコイルを2組のジョセフソン接合対で共有し、すなわち1つのワッシャーコイルを介して2つの超伝導ループを形成するため、専有面積を殆ど増やさずに、ワッシャーコイルに入力される磁束に対する出力電圧を理論的に2倍にすることができる効果がある。また、ワッシャーコイルの数が1つであり、磁束による位相を揃える必要がないため、出力電圧を確実に大きくできる効果がある。さらに超伝導ループを3つあるいはそれ以上形成することにより、専有面積の増加と比較した出力電圧の増分をより大きくすることができるという効果がある。そして例えば磁束計に応用した場合、検出感度が向上する効果がある。またバイアス配線の引き回しが簡素化できるため、駆動回路との接続もシンプルにできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
【図2】本発明の第1実施例に示すDC SQUIDの平面図である。
【図3】従来例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
【図4】従来例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
【図5】本発明の第2実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
【図6】本発明の第3実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
【図7】本発明の第4実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
【図8】本発明の第5実施例を示すDC SQUIDの等価回路図である。
【符号の説明】
1、1a、1b、1c、1d、1e、1f ジョセフソン接合
2、2a、2b、2c、2d、2e、2f シャント抵抗
3 ダンピング抵抗
4、4a、4b、4c、4d、4e ワッシャーコイル
5 入力コイル
6 帰還変調コイル
7 バイアス配線

Claims (6)

  1. 2個のジョセフソン接合からなる第1のジョセフソン接合対と、
    前記第1のジョセフソン接合対と環状に接続され第1の超伝導ループを形成するワッシャーコイルと、
    前記ワッシャーコイルの少なくとも一部を共有して環状に接続され、第2の超伝導ループを形成する2個のジョセフソン接合からなる第2のジョセフソン接合対と、
    前記ワッシャーコイルと磁気結合された入力コイルおよび帰還変調コイルとからなり、
    前記第1のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合が前記第2のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合と直列に接続し、前記第1のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合が前記第2のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合と直列に接続することを特徴とする直流駆動型超伝導量子干渉素子。
  2. 前記第1のジョセフソン接合対の、前記ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第1のバイアス電流端子と、前記第2のジョセフソン接合対の、前記ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第2のバイアス電流端子とを有し、前記第1および第2のバイアス電流端子からバイアス電流を印加する構成である請求項1記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
  3. 前記ワッシャーコイルは複数のコイルからなり各々のコイルが直列および/または並列に接続された構成である請求項1または2記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
  4. 前記第2のジョセフソン接合対の、前記ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子の間に接続された第2のワッシャーコイルと、前記第2のワッシャーコイルと環状に接続され、第3の超伝導ループを形成する2個のジョセフソン接合からなる第3のジョセフソン接合対をさらに有する請求項1〜3いずれか1項に記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
  5. 前記第1および第2のジョセフソン接合対を構成する各々のジョセフソン接合は、それぞれ並列にシャント抵抗が接続された請求項1〜4いずれか1項に記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
  6. 前記ワッシャーコイルは、並列にダンピング抵抗が接続された請求項1〜5いずれか1項に記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
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