JP7290660B2 - 超伝導量子干渉装置 - Google Patents
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Description
本出願は、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている、2018年3月29日に出願された豪州仮特許出願第2018901053号の優先権を主張する。
感度、
直線性、および
ダイナミックレンジのうちの1つまたは複数から選択される性能を向上させることがある。
アレイは複数の列を備え、
列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少ない。
アレイは複数の列を備え、
列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少ないフォトマスクまたはフォトマスクのセット。
アレイは複数の列を備え、
列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少ない電子チップ。
各ループが超伝導量子干渉デバイスを構成するループのアレイを磁束にさらすステップと、
磁束に対するアレイの電気応答を測定するステップと、
測定に基づいて磁束を示す値を判定するステップとを含む方法であって、
アレイは複数の列を備え、
列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少ない方法。
DC超伝導量子干渉デバイスすなわちSQUIDは、2つのジョセフソン接合によって中断される超伝導材料のループからなり、ジョセフソン接合は、超伝導材料における脆弱なリンクと見なすことができる。SQUIDは、磁場に対する余弦状電圧応答を有し、磁束量子の100万分の1、すなわち、Φ0=2.07×10-15Wb未満である非常に高い感度を有する磁束-電圧変圧器として一般に使用される。SQUID応答のピークトゥピーク電圧は、ループインダクタンスLおよび臨界電流Icを有する単一SQUIDについてSQUIDインダクタンス係数βL=2LIc/Φ0~1であるときに最適化することができる。いくつかの例では、インダクタンス係数βLは0.5未満である。SQUID電圧応答の周期性はSQUIDループ面積に反比例する。直列および/または並列接続されたDC SQUIDループの1次元および2次元アレイは、周期的電圧-磁場出力およびノイズ応答を単一SQUIDと比較して向上させるために使用されてもよい。
図4を再び参照すると、対象のパラメータには、ピークトゥピーク電圧ΔV403、アンチピークの感度または最大傾斜VB=dV/dB(図示せず)、アンチピーク幅ΔBext404、および非ゼロ磁場における小振幅振動の範囲δV405が含まれる。SQUIFの電圧ノイズSVおよび磁場雑音SBも測定することもできる。
ΔV ∝ Ns
ΔBext ∝ 1/Np
dV/ΔV ∝ 1/(NsNp)
dV/dB ∝ NsNp
Sv ∝ (NsNp)0.5
SB ∝ 1/(NsNp)0.5
Z ∝ Ns/Np
各々が1,000個の接合を有する20個のブロックからなるアレイ(N=20,000)において同じ総数の接合を有する2D SQUIFアレイに関して調査を行った。アレイのこのセットでは、互いに並列および直列の接合の数を変えるが同じNを維持する効果を調べる。
高温超伝導(HTS)SQUIDのいくつかの1次元(1D)並列アレイの電圧-磁場応答をN=4~81個の互いに並列のジョセフソン接合の関数として測定した。ループ面積の等しいSQUIDアレイを実験的に測定した。標準モデルの予測とは逆に、互いに並列の接合の数が増えるにつれてアレイの感度は概して低下した。単一DC SQUIDについてのモデルを、アレイ内のすべてのループを循環する電流によって生成される磁束を含む互いに並列の複数のループに拡張することによって、印加された磁場における1D並列HTSアレイを表すために完全な理論的記述を展開した。ループ面積が一定であるSQUIDアレイと、一連のループ面積を有し、他の点では超伝導量子干渉フィルタ(SQIF)と呼ばれるアレイについて計算を実行した。このモデルには、臨界電流および通常抵抗およびそれらの公知の大きい統計的差異(30%)などのHTSジョセフソン接合パラメータについての代表的な値を含む、HTSアレイに関連するパラメータを使用した。電流バイアスリード線の位置の効果も計算によって調べた。このモデルは、異なる形状の実験的に測定された1Dアレイとの良好な一致を示し、アレイ応答を最適化する際のアレイへの電流バイアスリード線の形状の重要性を強調する。
YBCOステップエッジジョセフソン接合に基づく小型1D SQUIDおよびSQIFアレイを、MgO基板の1cm2基板上にYBCOのエピタキシャル薄膜を成長させることによってリソグラフィによって製作した(約100~200nm)。基板には、アルゴンイオンビーム加工[Foleyら、1999年]に基づく定評ある技法を使用して表面に段差をエッチングした。ジョセフソン接合を形成するMgO段差の上縁部の所にeビーム蒸着を使用して堆積させたYBCO膜に粒界が形成される。次いで、膜を、幅2μmのステップエッジジョセフソン接合を有する様々な1D接合アレイ設計に製作する。互いに並列の接合の数Npを4つから81個まで増やし、同じ基板上に製作した。これは、各アレイにおけるNp-1個のSQUIDループに相当し、図1の例は、Np=10個の接合を有し、したがって、互いに並列の9つのSQUIDループを有する。
より大型のSQUIDおよびSQIFアレイの感度が単一SQUID等価電圧変調に比例するようにこの感度を向上させる方法[Schultzeら、2006年]として、本開示では、1D並列アレイ等ループ面積SQUIDアレイに基づいて形状を調査する。ループ面積(インダクタンス)によってβL<1が確保される。ここで、互いに並列の接合の数がNp=4~81で増えていくときのSQUIDの1D並列アレイの電圧-磁場(V-B)測定値について報告する。
本明細書で開発されたモデルは、HTS材料パラメータを仮定して1Dアレイを表す。ループ内の2つのジョセフソン接合を有する単一DC SQUIDを表す以前のモデル[TescheおよびClarke、1977年]から始まり、それを互いに並列のNp個の接合を含むNp-1個のループを有するアレイに拡張する(図23a、図23b)。ループを循環する電流は、接合を通過する垂直電流Ijとj番目のループの頂部および底部の周りの水平電流Jjに分割される。バイアスリード線を介してアレイに注入されるバイアス電流Ibjも含まれる。2つのバイアス方式がモデル化される。第1の方式は、電流が1DアレイIbjに沿って1本のバイアスリード線を介して注入されると仮定する。この1Dアレイの位置は、モデル内で選択することができるが(図17a)、一般にアレイの中心に近い。第2の方式は、接合(最大IbNp個)と同じ数のバイアスリード線Npを介してアレイを「均一にバイアスする」(図17b)を含む。ループごとに、ジョセフソン接合を通過する電流および電圧をゲージ不変位相差φjの関数として表す標準ジョセフソン式を使用してIjを判定する。キルヒホッフの法則を使用して各ループの周りにこのような電流を付加する。
本明細書で提示された1D SQUIDアレイについての実験結果から、接合(したがって、ループ)の数が約8~10個を超えて大きくなると、アレイの磁場感度が低下し、V-B応答は、反直感的電圧応答との周期性が低くなることがわかった。以下の説明では、一般にHTSデバイスに見られる接合パラメータの差異を含む、実験のアレイに見られる同様のパラメータを使用して、アレイ内の接合の数が増えていく1D SQUIDおよびSQIFアレイをモデル化する。結果は、1D SQUIDアレイ(等面積ループ、すなわち、σA=0を有する)および1D SQIFアレイ(一連のループ面積、σA=0.07、0.3を有する)の理論計算から提示され、一般に実験作業において測定されるパラメータおよびパラメータ広がりを含む。計算は、正規化された単位で提示され、ここで電圧応答はIcRn積に正規化され、一方、印加された磁束は、単一の磁束量子Φ0に正規化された印加された磁束Φaに関してプロットされる。アレイはその臨界電流を超えてバイアスされる。
図18は、図2に示す1Dアレイに基づくモデルを使用して算出された3つのV-Φa曲線の例を示し、βL=0.3、0.7、および1.0の3つの値についてNp=4個の接合を有し、アレイの中央が1.1×4Icにおいてバイアスされている。βLが増えるにつれて電圧変調振幅が小さくなり、V-Φa応答の傾斜が小さくなり、アレイの感度が低下していることを意味する。すべての曲線は、この範囲の磁束/磁場について同様の電圧ピークを示し、このことは図21bの実験データと一致する。βL≒0の場合、モデルは最大電圧変調が1.0になり(正規化)、最小値がゼロボルトに達すると予測する[Oppenlanderら、2000年]。しかし、βLがこれらの範囲である場合、モデルは、電圧最小値が最大電圧の0.25~0.53倍であると予測する(図18)。実際、βL=0.3である場合、図18は、ピークトゥピーク値が0.53<V>であることを示し、これは図15bに示す実験データと一致し、変調度は、βL=0.44であるアレイについては最大電圧の約0.37倍である。
以前の開示では、ループ面積の広がりを有さない(σA=0)1Dアレイがモデル化された。図20aは、Np=16およびβL=0.3を有するアレイがループ面積のわずかな広がりを有する場合(2601)と有さない場合(2602)についてモデル化されたが(σA=0.07)、接合パラメータRおよびIcにおいては広がりを仮定しない場合を示す。ループ面積におけるそのような広がり(約7%)は、たとえば、フォトリソグラフィックパターニングの差に起因する製作におけるばらつきの結果として実験的に生じる場合がある。モデルは、アレイが均一にバイアスされる(すなわち、1Dアレイにおける各SQUIDループが図17bに示すように均等にバイアスされる)。σA=0.07であるアレイV-B応答は、電圧ピークを徐々に±3Φ0まで小さくする包絡関数を生じさせ、電圧は、±3Φ0を超えると非周期的に変動する(図20a)。このモデル化されたアレイの全体的な応答は、図21bで測定され、図20bで再現されるNp=16等ループ面積アレイについての実験データに見られる一般的な特徴に類似している。
いくつかの1Dアレイパラメータの効果を組み合わせて、理論計算を拡張して、アレイ幅Npを広げること、および最大正規化感度|VΦ|maxに対するいくつかの異なる平均βL値についての異なるバイアス方式(均一および中央バイアス)の効果を調べた。ここで、VΦは数式[2]において定義される。
図19は別として、すべての理論的計算では、アレイ内のすべての接合jについて接合パラメータ(Icj, Rj)が同一であると仮定している。しかし、高Tc接合は特に、短いコヒーレンス長の組合せ、およびジョセフソン接合を形成する粒界の成長における固有の差異に起因してパラメータの大きい広がりを有することができる。IcjおよびRjにおける広がりは10%から60%までの広い範囲を対象としてもよい。ここで、ステップエッジ接合の前述の測定から得られるσIc、σRの値0.3を理論計算において使用する。
要するに、互いに並列のほぼ等しいループ面積を有し、一連の接合パラメータを有するいくつかの1D高Tc SQUIDアレイについての磁場性能が、77Kにおいて測定され、1Dアレイの幅が広くなるにつれて感度(電圧変調)が徐々に低下することがわかった。接合パラメータ(Icj、Rj)の適度な差異、(インダクタンスパラメータβLを介した)ループ面積の適度な差異、およびアレイの電流バイアス形状の適度な差異などの高Tc材料に重要なデバイスパラメータの差異を含むHTS薄膜に適用可能な1D SQUIDおよびSQIFアレイについての理論モデルが開発された。提案されたモデルは、SQIFに対する以前の研究(Oppenlanderら)による結果を再現し、アンチピークの傾斜を大きくすることによってSQIFアレイ感度を向上させるにはβLを低くする必要があることを示す。たとえば、アレイ全体にわたって不均一なアレイパターンのアンダーエッチングまたはオーバーエッチングによる製作プロセスにおけるばらつきに起因して生じるようなループ面積のわずかな差異(約7%)では、理想的な期待されるV-B応答からの逸脱を考慮に入れてもよく、実験的に観測される包絡形状の応答を生成してもよい。
101 絶縁基板
102 高温超伝導材料層、超伝導層
103 穴
104 ループ
105 ステップエッジ
106 第1の脆弱なリンク
107 第2の脆弱なリンク
200 2次元(2D)SQUIFアレイ
203 穴
205 ステップエッジ
206 第1の行
207 第2の行
208 第3の行
209 第4の行
210、211、212 金属バーまたは超伝導バー
401 深いアンチピーク
402 動作点
403 ピークトゥピーク電圧ΔV
404 アンチピーク幅ΔBext
405 非ゼロ磁場における小振幅振動の範囲δV
601 矩形
701 穴
702 接合
703 ステップエッジ
1500 アレイ
1501 ループ
1502 ステップエッジ
1503、1504、1505、1506 列
1507、1508、1509 行
1510 接続部
1511、1512 金属バー
1513 分離基板
1514 セル
1601、1602、1603 端子
1701、1702、1703 ブロック
Claims (23)
- 各ループが超伝導量子干渉デバイスを構成する、ループのアレイを備える超伝導量子干渉装置であって、
前記アレイは複数の列を備え、
前記列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
前記複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少なく、
各行において並列接続されるループは、それぞれの隣接する列におけるループから電気的に分離され、
前記複数の列の少なくとも2つが、並列接続される、装置。 - 各行において並列接続されるループの前記数は、10個よりも少ない、請求項1に記載の装置。
- 各行において並列接続されるループの前記数は、8個よりも少ない、請求項2に記載の装置。
- 各行において並列接続されるループの前記数は、7個よりも少ない、請求項3に記載の装置。
- 感度、
直線性、および
ダイナミックレンジのうちの1つまたは複数から選択される性能を向上させる、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置。 - 前記各ループは、高温超伝導材料のループである、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
- 超伝導量子干渉フィルタ(SQUIF)である、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ループは、前記アレイ全体にわたって変化するループ面積を有する、請求項7に記載の装置。
- 超伝導量子干渉デバイス(SQUID)アレイである、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ループは、各行において並列接続され、等しいループ面積を有する、請求項9に記載の装置。
- 前記列は、列の複数のセットを備え、各セットの前記列は、直列接続される、請求項1から10のいずれか一項に記載の装置。
- 第1のセットの前記直列接続された列は、第2のセットの直列接続された列に並列接続される、請求項11に記載の装置。
- 前記列は、列の複数のセットを備え、各セットの前記列は並列接続される、請求項1から12のいずれか一項に記載の装置。
- 第1のセットの前記並列接続された列は、第2のセットの並列接続された列に直列接続される、請求項11に記載の装置。
- 前記アレイのインピーダンスは、1kΩ以下である、請求項1から14のいずれか一項に記載の装置。
- 前記アレイは、少なくとも1,000,000個のループを備える、請求項1から15のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも1,000,000個のループを備え、各行において並列接続されるループの前記数は、2つよりも多く20個よりも少なく、各行において並列接続されるループの前記数、直列接続される列の前記数、および並列接続される列の前記数は、前記アレイのインピーダンスが1kΩ以下であるような数である、請求項1から16のいずれか一項に記載の装置。
- 前記アレイは、並列接続された少なくとも2つのいくつかの列を備え、
前記列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
前記複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、並列接続される列の数の10倍よりも少ない、請求項1から17のいずれか一項に記載の装置。 - 前記装置は、各ループが超伝導量子干渉デバイスを構成する、少なくとも1,000,000個のループのアレイを備え、
前記アレイは、並列接続された少なくとも100個のいくつかの列を備え、
前記列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
前記複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備える、請求項1から18のいずれか一項に記載の装置。 - コンピュータコードが記憶される非一時コンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータコードは、各ループが超伝導量子干渉デバイスを構成するループのアレイを備える量子干渉装置を定義し、
前記アレイは複数の列を備え、
前記列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
前記複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少なく、
各行において並列接続されるループは、それぞれの隣接する列におけるループから電気的に分離され、
前記複数の列の少なくとも2つが、並列接続される、非一時的コンピュータ可読媒体。 - 各ループが超伝導量子干渉デバイスを構成する、ループのアレイを備える量子干渉装置を画定するフォトマスクまたはフォトマスクのセットであって、
前記アレイは複数の列を備え、
前記列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
前記複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少なく、
各行において並列接続されるループは、それぞれの隣接する列におけるループから電気的に分離され、
前記複数の列の少なくとも2つが、並列接続される、フォトマスクまたはフォトマスクのセット。 - 各ループが超伝導量子干渉デバイスを構成する、ループのアレイを備える電子チップであって、
前記アレイは複数の列を備え、
前記列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
前記複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、2つよりも多く、20個よりも少なく、
各行において並列接続されるループは、それぞれの隣接する列におけるループから電気的に分離され、
前記複数の列の少なくとも2つが、並列接続される、電子チップ。 - 各ループが超伝導量子干渉デバイスを構成する、ループのアレイを備える超伝導量子干渉装置であって、
前記アレイは複数の列を備え、
前記列の各々は、直列接続された複数の行を備え、
前記複数の行の各々は、並列接続されたいくつかのループを備え、
各行において並列接続されるループの数は、前記装置の感度を向上させるために2つよりも多く、20個よりも少なく、前記アレイのインピーダンスは1kΩ以下であり、
各行において並列接続されるループは、それぞれの隣接する列におけるループから電気的に分離され、
前記複数の列の少なくとも2つが、並列接続される、装置。
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