JP4839477B2 - Electronic circuits for superconducting quantum interference devices - Google Patents

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Description

本発明は、超伝導量子干渉素子の臨界電流を測定するための超伝導量子干渉素子用電子回路に関する。   The present invention relates to an electronic circuit for a superconducting quantum interference device for measuring a critical current of the superconducting quantum interference device.

超伝導量子干渉素子（Superconducting Quantum Interference Device 、以下適宜ＳＱＵＩＤとも呼ぶ）は、超伝導リング内にジョセフソン接合を有する素子であり、ジョセフソン接合が２つの場合はＤＣ−ＳＱＵＩＤと呼ばれている。このＤＣ−ＳＱＵＩＤを使用すれば、微弱な磁束が検出できるので、高感度の磁束計として用いられている。   A superconducting quantum interference device (hereinafter also referred to as SQUID as appropriate) is an element having a Josephson junction in a superconducting ring. When there are two Josephson junctions, it is called a DC-SQUID. If this DC-SQUID is used, a weak magnetic flux can be detected, so that it is used as a highly sensitive magnetometer.

図５は、非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性の一例を示す図であり、挿入図がＤＣ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性である。図の縦軸は電流（ｎＡ）を示し、横軸は電圧（μＶ）を示している。図示するように、電流があるしきい値を越えたときに、ＤＣ−ＳＱＵＩＤにはゼロでない電圧が発生するが、そのしきい値を臨界電流とよぶ。臨界電流が磁束の関数となることを利用すると、臨界電流の測定を通じて磁束を検出することができる。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a current-voltage characteristic of the DC-SQUID reported in Non-Patent Document 1, and an inset is a current-voltage characteristic of the DC-SQUID. In the figure, the vertical axis represents current (nA), and the horizontal axis represents voltage (μV). As shown in the figure, when a current exceeds a certain threshold value, a non-zero voltage is generated in the DC-SQUID, and this threshold value is called a critical current. Using the fact that critical current is a function of magnetic flux, magnetic flux can be detected through measurement of critical current.

測定される臨界電流はいろいろな原因により統計的ゆらぎをもつ。この統計的ゆらぎの原因としては、熱的ゆらぎや外来雑音がある。微小なジョセフソン接合を用いたＤＣ−ＳＱＵＩＤでは、それらに加えて量子的なゆらぎの効果が大きく、臨界電流のばらつきは絶対値の１０％以上になる場合もある。このような微小なジョセフソン接合によるＤＣ−ＳＱＵＩＤの量子的なゆらぎが無視できないほど大きい場合において、磁束を求めるためには、臨界電流の統計平均を測定しなければならない。   The measured critical current has statistical fluctuations due to various causes. The cause of this statistical fluctuation is thermal fluctuation or external noise. In the DC-SQUID using a minute Josephson junction, in addition to these, the effect of quantum fluctuation is large, and the variation in critical current may be 10% or more of the absolute value. When the quantum fluctuation of the DC-SQUID due to such a small Josephson junction is so large that it cannot be ignored, the statistical average of the critical current must be measured in order to obtain the magnetic flux.

ＤＣ−ＳＱＵＩＤにおける臨界電流の従来の測定においては、鋸歯状電流をＤＣ−ＳＱＵＩＤに流し、電圧が発生するときの電流値を毎回ＡＤ変換器で記録し、その値の統計平均をコンピュータで求めることが行われてきた（例えば、非特許文献１参照）。
図５は、非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流のバラツキの一例を示す図である。図の縦軸は回数を示し、横軸は臨界電流（ｎＡ）を示している。図示するように、臨界電流には大きなゆらぎが生じていることが分かる。 In the conventional measurement of the critical current in the DC-SQUID, a sawtooth current is passed through the DC-SQUID, the current value when a voltage is generated is recorded by an AD converter, and the statistical average of the value is obtained by a computer. (For example, refer nonpatent literature 1).
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of variation in the critical current of the DC-SQUID reported in Non-Patent Document 1. In the figure, the vertical axis indicates the number of times, and the horizontal axis indicates the critical current (nA). As shown in the figure, it can be seen that there is a large fluctuation in the critical current.

図６は、非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流のバラツキの一例を示す図である。図６において、縦軸は臨界電流（ｎＡ）を示し、横軸（ΦSQUID ）は外部から印加した磁束である。挿入図は、統計的ゆらぎのある臨界電流をそのままプロットしたものである。それをコンピュータで処理し統計平均を求めたものをプロットしたものが拡大図である。これから、従来の臨界電流の測定では、臨界電流の測定においてバラツキがあることが分かる。 FIG. 6 is a diagram illustrating an example of variation in the critical current of the DC-SQUID reported in Non-Patent Document 1. In FIG. 6, the vertical axis indicates the critical current (nA), and the horizontal axis (Φ SQUID ) indicates the magnetic flux applied from the outside. The inset plots the critical current with statistical fluctuations as it is. An enlarged view of a plot of the statistical average obtained by processing it with a computer. From this, it can be seen that there is variation in the measurement of the critical current in the conventional measurement of the critical current.

Caspar H. van der Wal他７名, "Quantum Superposition of Macroscopic Persistent-Current States", Science, Vol.290, pp.773-777, 2000Caspar H. van der Wal and 7 others, "Quantum Superposition of Macroscopic Persistent-Current States", Science, Vol.290, pp.773-777, 2000

従来のＤＣ−ＳＱＵＩＤにおける臨界電流の測定では、鋸歯状電流の周波数が高くなると、高速のＡＤ変換器やコンピュータが必要となり、この方式では測定が難しくなるという課題がある。   In the measurement of the critical current in the conventional DC-SQUID, when the frequency of the sawtooth current is increased, a high-speed AD converter and a computer are required, and this method has a problem that the measurement becomes difficult.

本発明は上記課題に鑑み、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を測定する際の鋸歯状電流の周波数が高い場合でも、その統計平均を、簡便、かつ、正確に測定することができる、超伝導量子干渉素子用電子回路を提供することを目的としている。   In view of the above problems, the present invention provides a superconducting quantum interference that can easily and accurately measure the statistical average even when the frequency of the sawtooth current when measuring the critical current of a DC-SQUID is high. It aims at providing the electronic circuit for elements.

上記目的を達成するため、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路は、超伝導量子干渉素子に鋸歯波電流を印加する鋸歯波電流発生回路と、超伝導量子干渉素子に接続され、超伝導量子干渉素子に臨界電流が印加されたときの有限電圧を検出してサンプルホールド制御信号を発生する回路と、サンプルホールド制御信号が入力されるサンプルホールド回路と、サンプルホールド回路の出力に接続されるローパスフィルタと、ローパスフィルタにより抽出された直流電圧を測定する直流電圧計と、を備え、鋸歯波電流発生回路は、鋸歯状波発生回路及び鋸歯状波発生回路で発生させた電圧を電流に変換する電圧電流変換回路とからなり、サンプルホールド制御信号を発生する回路は、超伝導量子干渉素子に接続されるプリアンプと、プリアンプに接続されるコンパレータ回路と、コンパレータ回路に接続される単安定マルチバイブレータとからなり、サンプルホールド回路に入力される鋸歯状波発生回路からの信号及びサンプルホールド制御信号により上記超伝導量子干渉素子の臨界電流を測定することを特徴とする。
上記構成において、超伝導量子干渉素子は、好ましくは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤである。また、好ましくは、電圧電流変換回路は、オペアンプと抵抗とからなる。 To achieve the above object, an electronic circuit for a superconducting quantum interference device according to the present invention is connected to a sawtooth wave current generating circuit for applying a sawtooth wave current to a superconducting quantum interference device, and a superconducting quantum interference device. a circuit for generating a sample-hold control signal by detecting a finite voltage when the critical current is applied to the quantum interference device, and a sample hold circuit sample-and-hold control signal is input, is connected to the output of the sample-and-hold circuit comprising a low-pass filter, and a DC voltage meter for measuring the DC voltage extracted by the low-pass filter, sawtooth wave current generation circuit converts the voltage generated by the sawtooth wave generating circuit and the sawtooth wave generating circuit to the current The circuit that consists of the voltage-current converter and generates the sample-and-hold control signal includes a preamplifier connected to the superconducting quantum interference device and a preamplifier. A comparator circuit connected consists of a monostable multivibrator which is connected to the comparator circuit, the signal and the sample hold control signal from the sawtooth wave generating circuit is input to the sample hold circuit of the superconducting quantum interference device criticality It is characterized by measuring current.
In the above configuration, the superconducting quantum interference element is preferably a DC-SQUID. Preferably, the voltage-current conversion circuit includes an operational amplifier and a resistor .

上記構成によれば、超伝導量子干渉素子用電子回路において、臨界電流が印加されたときの有限電圧を検出し、この有限電圧によりサンプルホールド回路の制御信号を得て、サンプルホールド回路に入力される鋸歯波電流発生回路から臨界電流を、簡単に、かつ、正確に測定することができる。これにより、超伝導量子干渉素子からの信号をバラツキなく安定に検出できる超伝導量子干渉素子用電子回路を提供することができる。   According to the above configuration, in the superconducting quantum interference device electronic circuit, a finite voltage is detected when a critical current is applied, a control signal for the sample hold circuit is obtained by this finite voltage, and is input to the sample hold circuit. The critical current can be easily and accurately measured from the sawtooth current generator circuit. Thereby, it is possible to provide an electronic circuit for a superconducting quantum interference device that can stably detect a signal from the superconducting quantum interference device without variation.

本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路によれば、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を測定する際の鋸歯状電流の周波数が高い場合でも、その統計平均を、簡便、かつ、正確に測定することのできる、超伝導量子干渉素子用電子回路を提供することができる。   According to the electronic circuit for a superconducting quantum interference device of the present invention, even if the frequency of the sawtooth current when measuring the critical current of the DC-SQUID is high, the statistical average can be measured easily and accurately. An electronic circuit for a superconducting quantum interference device can be provided.

以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材または同一の部分には同一の符号を付して説明する。
最初に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の実施形態を説明する。
図１は本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に電流を供給する鋸歯波電流発生回路３と、プリアンプ４と、コンパレータ回路５と、単安定マルチバイブレータ６と、サンプルホールド回路７と、ローパスフィルタ８と、直流電圧計９と、を含み構成されている。
なお、図中の点線で囲んでいる領域１０は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２が収容されている。この領域１０は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２が動作する温度に保持されている液体ヘリウムやヘリウム冷凍機などによるクライオスタットなどの容器を示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that substantially the same members or the same parts are denoted by the same reference numerals for description.
First, an embodiment of the electronic circuit for a superconducting quantum interference device of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electronic circuit for a superconducting quantum interference device according to the present invention. As shown in FIG. 1, an electronic circuit 1 for a superconducting quantum interference device according to the present invention includes a sawtooth current generation circuit 3 that supplies current to a DC-SQUID 2, a preamplifier 4, a comparator circuit 5, and a monostable multivibrator. 6, a sample hold circuit 7, a low-pass filter 8, and a DC voltmeter 9.
In addition, DC-SQUID2 is accommodated in the area | region 10 enclosed with the dotted line in the figure. This area | region 10 has shown containers, such as a cryostat by liquid helium, a helium refrigerator, etc. hold | maintained at the temperature which DC-SQUID2 operate | moves.

ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２は、その一例を図示しているが、略半円帯状の超伝導体２Ａ，２Ｂがリング状に配置され、それらの両端部に図示しない絶縁体が挟まれて、ジョセフソン接合２Ｃ，２Ｄが形成されている。そして、ジョセフソン接合２Ｃ及び２Ｄから約９０°離れた位置に、電流端子２Ｅ，２Ｆが設けられている。ジョセフソン接合２Ｃ及び２Ｄは、例えば、超伝導体２Ａ，絶縁体，超伝導体２Ｂから構成されている。ここで、超伝導体２Ａ，２Ｂは、同じ材料を用いてもよい。また、絶縁体も同じ材料を用いてもよい。   An example of the DC-SQUID 2 is shown, but superconductors 2A and 2B having substantially semicircular bands are arranged in a ring shape, and an insulator (not shown) is sandwiched between both ends thereof, so that the Josephson junction 2C , 2D are formed. Current terminals 2E and 2F are provided at a position about 90 ° away from the Josephson junctions 2C and 2D. The Josephson junctions 2C and 2D are composed of, for example, a superconductor 2A, an insulator, and a superconductor 2B. Here, the same material may be used for the superconductors 2A and 2B. The insulator may be made of the same material.

ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の電流端子２Ｅには、鋸歯波電流発生回路３からバイアス電流が印加され、電流端子２Ｆが接地されている。そして、電流端子２Ｅ，２Ｆの両端に生じる電圧が、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に接続されるプリアンプ４に入力される。   A bias current is applied from the sawtooth current generation circuit 3 to the current terminal 2E of the DC-SQUID 2, and the current terminal 2F is grounded. The voltage generated at both ends of the current terminals 2E and 2F is input to the preamplifier 4 connected to the DC-SQUID2.

鋸歯波電流発生回路３は、鋸歯状波発生回路３Ａと、この鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧を電流に変換する電圧電流変換回路３Ｂと、から構成されている。ここで、鋸歯状波発生回路３Ａは、鋸歯状の波や所謂三角波状の波を発生させる回路である。   The sawtooth wave current generation circuit 3 includes a sawtooth wave generation circuit 3A and a voltage / current conversion circuit 3B that converts a voltage generated by the sawtooth wave generation circuit 3A into a current. Here, the sawtooth wave generating circuit 3A is a circuit that generates a sawtooth wave or a so-called triangular wave.

プリアンプ４は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に発生する微小電圧を増幅する。この増幅した信号は、プリアンプ４の後段に接続されるコンパレータ回路５に出力される。プリアンプ４の増幅度は、コンパレータ回路５で処理するのに十分な電圧が得られるように選定されている。   The preamplifier 4 amplifies a minute voltage generated in the DC-SQUID 2. This amplified signal is output to the comparator circuit 5 connected to the subsequent stage of the preamplifier 4. The amplification degree of the preamplifier 4 is selected so that a voltage sufficient for processing by the comparator circuit 5 can be obtained.

コンパレータ回路５は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２がゼロ電圧の状態から有限電圧の状態に変化したことを検出するために使用する。このコンパレータ回路５は、例えば演算増幅器（以下、適宜オペアンプと呼ぶ）を用いた電圧比較器を用いることができる。図示の場合には、プリアンプ４の出力電圧４Ａと基準電圧Ｖthとが、オペアンプに入力される場合を示している。
したがって、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に鋸歯波電流が印加されて、その電流が増加して有限電圧の状態に変化した場合には、プリアンプ４には出力電圧４Ａが生じる。この出力電圧４Ａが基準電圧Ｖthよりも大きくなったときに、ステップ信号５Ａがコンパレータ回路５から出力される。 The comparator circuit 5 is used to detect that the DC-SQUID 2 has changed from a zero voltage state to a finite voltage state. As the comparator circuit 5, for example, a voltage comparator using an operational amplifier (hereinafter referred to as an operational amplifier as appropriate) can be used. In the illustrated case, the output voltage 4A of the preamplifier 4 and the reference voltage Vth are input to the operational amplifier.
Therefore, when a sawtooth current is applied to the DC-SQUID 2 and the current increases and changes to a finite voltage state, an output voltage 4A is generated in the preamplifier 4. When the output voltage 4A becomes larger than the reference voltage Vth , a step signal 5A is output from the comparator circuit 5.

単安定マルチバイブレータ６は、上記コンパレータ回路のステップ信号５Ａが入力される。これにより、単安定マルチバイブレータ６は、コンパレータ回路５からのステップ信号５Ａが入力したときに、設定された有限の長さのパルス６Ａを出力する。   The monostable multivibrator 6 receives the step signal 5A of the comparator circuit. Thus, the monostable multivibrator 6 outputs a pulse 6A having a set finite length when the step signal 5A from the comparator circuit 5 is input.

サンプルホールド回路７は、単安定マルチバイブレータ６からパルス６Ａが入力されたとき、鋸歯状波発生回路３Ａの出力電圧をホールドするために使用する。図に示すサンプルホールド回路７は、サンプル時間を制御するスイッチ１２と電圧ホールド用コンデンサ１３とから構成されている。スイッチの一端１２Ａにはサンプル信号が入力され、その他端１２Ｂが、電圧ホールド用コンデンサ１３に接続されている。このスイッチ１２は、サンプルホールド制御信号が印加されている時間だけ閉となり、サンプル信号が電圧ホールド用コンデンサ１３に印加される。そして、スイッチ１２が開となると、電圧ホールド用コンデンサ１３に充電された電圧は、一定の電圧を保つ、所謂ホールド状態となる。   The sample hold circuit 7 is used to hold the output voltage of the sawtooth wave generation circuit 3A when the pulse 6A is input from the monostable multivibrator 6. The sample hold circuit 7 shown in the figure is composed of a switch 12 for controlling the sample time and a voltage hold capacitor 13. A sample signal is input to one end 12A of the switch, and the other end 12B is connected to the voltage hold capacitor 13. The switch 12 is closed only for the time during which the sample hold control signal is applied, and the sample signal is applied to the voltage hold capacitor 13. When the switch 12 is opened, the voltage charged in the voltage hold capacitor 13 is in a so-called hold state in which a constant voltage is maintained.

上記サンプルホールド回路７においては、サンプル信号が鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧であり、サンプルホールド制御信号が単安定マルチバイブレータからの出力信号６Ａとなっている。また、鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧は、電圧電流変換回路３Ｂによって電流に変換される。したがって、鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧とＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に印加される電流とは１対１で対応する。これにより、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａは、鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧であるので、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流とは１対１で対応することになる。そして、このサンプルホールド回路の出力７Ａが後段のローパスフィルタ８に接続される。   In the sample hold circuit 7, the sample signal is a voltage generated by the sawtooth wave generating circuit 3A, and the sample hold control signal is an output signal 6A from the monostable multivibrator. The voltage generated by the sawtooth wave generating circuit 3A is converted into a current by the voltage / current converting circuit 3B. Therefore, there is a one-to-one correspondence between the voltage generated by the sawtooth wave generating circuit 3A and the current applied to the DC-SQUID2. As a result, the output voltage 7A of the sample-and-hold circuit is a voltage generated by the sawtooth wave generating circuit 3A, and therefore has a one-to-one correspondence with the critical current of the DC-SQUID2. The output 7A of this sample and hold circuit is connected to the low-pass filter 8 at the subsequent stage.

ローパスフィルタ８は、上記サンプルホールド回路７からの出力電圧７Ａから直流電圧８Ａを抽出する。   The low-pass filter 8 extracts a DC voltage 8A from the output voltage 7A from the sample and hold circuit 7.

直流電圧計９は上記ローパスフィルタ８に接続していて、ローパスフィルタから抽出した直流電圧８Ａを計測する。   The DC voltmeter 9 is connected to the low-pass filter 8 and measures the DC voltage 8A extracted from the low-pass filter.

本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１によれば、サンプルホールド回路からの出力電圧７Ａが、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流と１対１で対応しているので、この出力電圧７Ａをローパスフィルタ８に通すことにより、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａの時間平均が得られる。これを直流電圧計９で測定することによりＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流の値を正確に測定することができる。   According to the electronic circuit 1 for a superconducting quantum interference device of the present invention, the output voltage 7A from the sample-and-hold circuit has a one-to-one correspondence with the critical current of the DC-SQUID 2. 8, the time average of the output voltage 7A of the sample hold circuit is obtained. By measuring this with the DC voltmeter 9, the value of the critical current of the DC-SQUID 2 can be accurately measured.

ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流に統計的ゆらぎがあるときには、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａは、鋸歯状電圧の掃引ごとに異なっているが、この電圧をローパスフィルタ８に通すことにより、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａの時間平均が得られるので、この測定された電圧が、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流の統計平均を与える値として測定することができる。   When there is a statistical fluctuation in the critical current of DC-SQUID2, the output voltage 7A of the sample-and-hold circuit differs for each sweep of the sawtooth voltage. By passing this voltage through the low-pass filter 8, the output of the sample-and-hold circuit Since a time average of the output voltage 7A is obtained, this measured voltage can be measured as a value that gives a statistical average of the critical current of DC-SQUID2.

本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１は以上のように構成されており、以下のように動作する。
図２は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１の各部の動作状態を模式的に示すタイミングチャートであり、それぞれ（Ａ）は鋸歯状波発生回路３Ａの電圧波形、（Ｂ）はプリアンプの出力４Ａの電圧波形、（Ｃ）はコンパレータ回路の出力５Ａの電圧波形、（Ｄ）は単安定マルチバイブレータからのパルス６Ａの電圧波形、（Ｅ）はサンプルホールド回路の出力７Ａの電圧波形を示している。図の縦軸がそれぞれの波形の電圧振幅を示し、横軸が時間である。
先ず、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に鋸歯波電流発生回路３から電流が印加され、ｔ１という時刻で臨界電流が流れ、有限電圧の状態に変化する（図２（Ａ）の時刻ｔ１参照）。この有限電圧がプリアンプ４で増幅され、プリアンプから出力電圧４Ａがコンパレータ回路５に出力される（図２（Ｂ）参照）。
次に、コンパレータ回路５は、プリアンプ出力と基準電圧Ｖｔｈとを比較して、ステップ信号５Ａを出力する（図２（Ｃ）参照）。
単安定マルチバイブレータ６は、上記コンパレータ回路のステップ信号５Ａが入力されると、図示の場合にはｔｓの長さのパルス６Ａ、即ち、サンプルホールド制御信号をサンプルホールド回路７に出力する（図２（Ｄ）参照）。
サンプルホールド回路７は、単安定マルチバイブレータ６からサンプルホールド制御信号６Ａが入力されたとき、サンプル時間ｔｓの間は鋸歯状波発生回路３Ａの出力電圧に追随した電圧を出力し、サンプル時間ｔｓが終了した後は、所定のホールド時間ｔｈの間、ホールド電圧を出力し続ける（図２（Ｅ）参照）。
このホールド電圧がローパスフィルタ８に出力され、抽出された直流電圧８Ａが直流電圧計９で計測される。上記したように、この直流電圧からＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流が求まる。 The superconducting quantum interference device electronic circuit 1 of the present invention is configured as described above and operates as follows.
FIG. 2 is a timing chart schematically showing the operating state of each part of the electronic circuit 1 for a superconducting quantum interference device according to the present invention, where (A) is a voltage waveform of the sawtooth wave generating circuit 3A, and (B) is Voltage waveform of preamplifier output 4A, (C) voltage waveform of comparator circuit output 5A, (D) voltage waveform of pulse 6A from monostable multivibrator, (E) voltage waveform of sample hold circuit output 7A Is shown. In the figure, the vertical axis represents the voltage amplitude of each waveform, and the horizontal axis represents time.
First, DC-SQUID current from sawtooth wave current generating circuit 3 is applied to the critical current flows at time of t 1, changes to the state of the finite voltage (see time t 1 in FIG. 2 (A)). This finite voltage is amplified by the preamplifier 4, and the output voltage 4A is output from the preamplifier to the comparator circuit 5 (see FIG. 2B).
Next, the comparator circuit 5 compares the preamplifier output with the reference voltage Vth and outputs a step signal 5A (see FIG. 2C).
Monostable multivibrator 6, when the step signal 5A of the comparator circuit is input, in the case of the illustrated pulses 6A length of t s, i.e., it outputs a sample hold control signal to the sample hold circuit 7 (FIG. 2 (D)).
Sample-and-hold circuit 7, when the sample hold control signal 6A is input from the monostable multivibrator 6, during the sample time t s outputs a voltage to follow the output voltage of the sawtooth wave generating circuit 3A, the sample time t after s is completed for a predetermined hold time t h, continuously outputs the hold voltage (see FIG. 2 (E)).
This hold voltage is output to the low-pass filter 8, and the extracted DC voltage 8 </ b> A is measured by the DC voltmeter 9. As described above, the critical current of DC-SQUID 2 can be obtained from this DC voltage.

本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１によれば、鋸歯状波発生回路３Ａの周波数が高くなってもその周波数で動作するサンプルホールド回路７により鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧をホールドしている。このホールドした電圧の内、ローパスフィルタ８を通過した直流電圧によりＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流を測定することができる。
したがって、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１によれば、従来のＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流測定に用いていたＡＤ変換器が不要となる。このため、ＡＤ変換器からのデジタル信号を取得して信号処理をするコンピュータも不要となる。これにより、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１は構成が簡単で、低コストで製造することができる。また、鋸歯状波発生回路３Ａの周波数が高くなってもその周波数で動作するサンプルホールド回路７により構成できるので、高速動作のＡＤ変換器及び高速コンピュータも不要となる。 According to the electronic circuit 1 for a superconducting quantum interference device of the present invention, even if the frequency of the sawtooth wave generating circuit 3A increases, the voltage generated by the sawtooth wave generating circuit 3A by the sample hold circuit 7 operating at that frequency. Is holding. Among the held voltages, the critical current of the DC-SQUID 2 can be measured by the DC voltage that has passed through the low-pass filter 8.
Therefore, according to the electronic circuit 1 for a superconducting quantum interference device of the present invention, the AD converter used for the conventional critical current measurement of the DC-SQUID becomes unnecessary. This eliminates the need for a computer that acquires a digital signal from the AD converter and performs signal processing. Thereby, the electronic circuit 1 for a superconducting quantum interference device according to the present invention has a simple configuration and can be manufactured at low cost. Further, even if the frequency of the sawtooth wave generating circuit 3A is increased, the sample-and-hold circuit 7 that operates at that frequency can be used, so that a high-speed AD converter and a high-speed computer are not required.

次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例として、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路２０を製作した。
図３は、実施例のＤＣ−ＳＱＵＩＤ２を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路２０の構成を示す回路図である。基本的には、超伝導量子干渉素子用電子回路１の回路と同様である。鋸歯波電流発生回路３の電圧電流変換回路３Ｂは、オペアンプ２１，２２と抵抗により構成した。また、単安定マルチバイブレータ６としては、ＴＩ社製のＳＮ７４１２１を用い、サンプルホールド回路７としては、アナログ・デバイセズ社製のＡＤ７８３を用いた。ローパスフィルタ８としては、抵抗２３及びコンデンサ２４からなる回路又は高次のローパスフィルタを用いた。 Next, based on an Example, this invention is demonstrated further in detail.
As an example, an electronic circuit 20 for a superconducting quantum interference device using DC-SQUID2 was manufactured.
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration of the electronic circuit 20 for a superconducting quantum interference device using the DC-SQUID 2 of the embodiment. Basically, it is the same as the circuit of the electronic circuit 1 for a superconducting quantum interference device. The voltage-current conversion circuit 3B of the sawtooth current generation circuit 3 is composed of operational amplifiers 21 and 22 and resistors. As the monostable multivibrator 6, SN74121 manufactured by TI was used, and as the sample hold circuit 7, AD783 manufactured by Analog Devices was used. As the low-pass filter 8, a circuit composed of a resistor 23 and a capacitor 24 or a high-order low-pass filter was used.

このような構成による実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路２０によりＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流を測定した。
図４は、実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路２０により測定したＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流を示す図である。図において、縦軸は臨界電流の統計平均値（ｎＡ）を示し、横軸は磁場を加えるための電磁石に流した電流（ｍＡ）であり、外部から印加されている磁場に比例している。図４から明らかなように、実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路２０にて測定された臨界電流においては、図６の非特許文献１の場合と比較して、非常にバラツキの少ないスムーズな波形が得られることが分かる。 The critical current of DC-SQUID2 was measured by the electronic circuit 20 for a superconducting quantum interference device of the example having such a configuration.
FIG. 4 is a diagram showing the critical current of DC-SQUID 2 measured by the electronic circuit 20 for a superconducting quantum interference device of the example. In the figure, the vertical axis represents the statistical average value (nA) of the critical current, and the horizontal axis represents the current (mA) passed through the electromagnet for applying the magnetic field, which is proportional to the magnetic field applied from the outside. As is clear from FIG. 4, the critical current measured by the electronic circuit 20 for the superconducting quantum interference device according to the example is much smoother than the case of Non-Patent Document 1 in FIG. It can be seen that a simple waveform can be obtained.

図４に示す実施例の測定においては、鋸歯状波の周波数は１ｋＨｚ、サンプル時間ｔs ＝７００ｎｓ、ホールド時間はｔh ＝約１ｍｓであった。鋸歯状波の周波数は、約１ＭＨｚ以上であっても使用可能であった。 In the measurement of the example shown in FIG. 4, the frequency of the sawtooth wave was 1 kHz, the sample time t s = 700 ns, and the hold time was t h = about 1 ms. Even if the frequency of the sawtooth wave was about 1 MHz or more, it could be used.

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。本発明に用いるＤＣ−ＳＱＵＩＤやサンプルホールド回路などの各回路は、その使用目的に応じて、適宜に選択あるいは設計すればよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. . Each circuit such as the DC-SQUID and sample hold circuit used in the present invention may be appropriately selected or designed according to the purpose of use.

本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the electronic circuit for superconducting quantum interference elements of this invention. 本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の各部の動作状態を模式的に示すタイミングチャートであり、それぞれ（Ａ）は鋸歯状波発生回路の電圧波形、（Ｂ）はプリアンプの出力の電圧波形、（Ｃ）はコンパレータ回路の出力の電圧波形、（Ｄ）は単安定マルチバイブレータからのパルスの電圧波形、（Ｅ）はサンプルホールド回路の出力の電圧波形を示している。2 is a timing chart schematically showing the operating state of each part of the electronic circuit for a superconducting quantum interference device according to the present invention, in which (A) is a voltage waveform of a sawtooth wave generation circuit and (B) is a voltage waveform of an output of a preamplifier. (C) shows the voltage waveform of the output of the comparator circuit, (D) shows the voltage waveform of the pulse from the monostable multivibrator, and (E) shows the voltage waveform of the output of the sample and hold circuit. 実施例のＤＣ−ＳＱＵＩＤを用いた超伝導量子干渉素子用電子回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the electronic circuit for superconducting quantum interference elements using DC-SQUID of an Example. 実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路により測定したＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。It is a figure which shows the critical current of DC-SQUID measured with the electronic circuit for superconducting quantum interference elements of an Example. 非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the current-voltage characteristic of DC-SQUID reported in the nonpatent literature 1. 非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流のバラツキの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the variation of the critical current of DC-SQUID reported in the nonpatent literature 1.

符号の説明Explanation of symbols

１，２０：超伝導量子干渉素子用電子回路
２：ＤＣ−ＳＱＵＩＤ
２Ａ，２Ｂ：超伝導体
２Ｃ，２Ｄ：ジョセフソン接合
２Ｅ，２Ｆ：電流端子
３：鋸歯波電流発生回路
３Ａ：鋸歯状波発生回路
３Ｂ：電圧電流変換回路
４：プリアンプ
４Ａ：プリアンプ出力電圧
５：コンパレータ回路
５Ａ：コンパレータ回路の出力信号（ステップ信号）
６：単安定マルチバイブレータ
６Ａ：パルス
７：サンプルホールド回路
７Ａ：サンプルホールド回路の出力
８：ローパスフィルタ
８Ａ：直流電圧
９：直流電圧計
１０：クライオスタット
１２：スイッチ
１３：電圧ホールド用コンデンサ
２１，２２：オペアンプ
２３：抵抗
２４：コンデンサ 1, 20: Electronic circuit for superconducting quantum interference device 2: DC-SQUID
2A, 2B: Superconductors 2C, 2D: Josephson junctions 2E, 2F: Current terminals 3: Sawtooth current generation circuit 3A: Sawtooth wave generation circuit 3B: Voltage current conversion circuit 4: Preamplifier 4A: Preamplifier output voltage 5: Comparator circuit 5A: Output signal (step signal) of the comparator circuit
6: Monostable multivibrator 6A: Pulse 7: Sample hold circuit 7A: Output of sample hold circuit 8: Low pass filter 8A: DC voltage 9: DC voltmeter 10: Cryostat 12: Switch 13: Voltage holding capacitors 21, 22: Operational amplifier 23: Resistor 24: Capacitor

Claims (3)

超伝導量子干渉素子に鋸歯波電流を印加する鋸歯波電流発生回路と、
上記超伝導量子干渉素子に接続され、上記超伝導量子干渉素子に臨界電流が印加されたときの有限電圧を検出してサンプルホールド制御信号を発生する回路と、
上記サンプルホールド制御信号が入力されるサンプルホールド回路と、
上記サンプルホールド回路の出力に接続されるローパスフィルタと、
上記ローパスフィルタにより抽出された直流電圧を測定する直流電圧計と、
を備え、
上記鋸歯波電流発生回路は、鋸歯状波発生回路及び該鋸歯状波発生回路で発生させた電圧を電流に変換する電圧電流変換回路とからなり、
上記サンプルホールド制御信号を発生する回路は、上記超伝導量子干渉素子に接続されるプリアンプと、該プリアンプに接続されるコンパレータ回路と、該コンパレータ回路に接続される単安定マルチバイブレータとからなり、
上記サンプルホールド回路に入力される上記鋸歯状波発生回路からの信号及び上記サンプルホールド制御信号により上記超伝導量子干渉素子の臨界電流を測定することを特徴とする、超伝導量子干渉素子用電子回路。 A sawtooth current generating circuit for applying a sawtooth current to the superconducting quantum interference device;
Is connected to the superconducting quantum interference device, a circuit for generating a sample-hold control signal by detecting a finite voltage when the critical current is applied to the superconducting quantum interference device,
A sample hold circuit to which the sample hold control signal is input ;
A low pass filter connected to the output of the sample and hold circuit;
A DC voltmeter for measuring the DC voltage extracted by the low-pass filter;
Equipped with a,
The sawtooth wave current generation circuit comprises a sawtooth wave generation circuit and a voltage / current conversion circuit that converts the voltage generated by the sawtooth wave generation circuit into a current,
The circuit for generating the sample and hold control signal includes a preamplifier connected to the superconducting quantum interference device, a comparator circuit connected to the preamplifier, and a monostable multivibrator connected to the comparator circuit.
An electronic circuit for a superconducting quantum interference device, characterized in that a critical current of the superconducting quantum interference device is measured by a signal from the sawtooth wave generation circuit input to the sample and hold circuit and the sample and hold control signal. . 前記超伝導量子干渉素子は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤであることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。   The electronic circuit for a superconducting quantum interference device according to claim 1, wherein the superconducting quantum interference device is a DC-SQUID. 前記電圧電流変換回路は、オペアンプと抵抗とからなることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。The electronic circuit for a superconducting quantum interference device according to claim 1, wherein the voltage-current conversion circuit comprises an operational amplifier and a resistor.
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