JPH0320684A - 超伝導量子干渉計及びその駆動・検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ジョセフソン接合で作られる磁束検出器であ
る超伝導量子干渉計およびその駆動・検出方法に関する
。

（従来の技術） ２個の超伝導体が臨界温度以下の状態、つまり超伝導状
態であるとすると、電流力｛ｐ界電流より小さい状態で
は、薄い絶縁体障壁たる接合が超伝導物質のように働く
ことに着目したジョセフソン接合の応用例として、超伝
導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ二以下スクィッドと表す）が
広く知られている。このスクィッドは、心臓や筋肉、眼
球などの活動に伴って発生する磁気測定、鉱物、地熱源
の探査や気象観測、或いは、物質の磁気的物性計測およ
び精密電磁気的計測に応用される。

スクィッドはその駆動のために用いられるバイアス方式
の違いにより一つのリング（スクィッドループ）中に１
つのジョセフソン接合を持つものをｒｆ−スクィッド、
二つのジョセフソン接合を持つものをｄｃ−スクィッド
と呼ばれる。本発明は後者のｄｃ−スクィッド及び駆動
・検出方法に関するものである。

まず、本発明で用いるｄｃ−スクィッドはそのジョセフ
ソン接合部をトンネル型接合で構或しているものである
。トンネル型接合の典型的なＩ■特性は第２図に示すよ
うにヒステリシスを持つ特性であり、ある電流値■，に
なるまでは電圧が発生せずＩ１に達すると速やかに電圧
状態に転移する。（第２図の点線の経路）その電圧は■
，である。さらに電流を増加すると有限の電気抵抗を持
つものと同様に電流と電圧の比例関係が保たれた状態が
維持される。一方、そこから電流を減じていくと第２図
の矢印のように電圧はＶ１のまま電流が減少し同図に示
す経路をとおって０に戻る。

同じ事は逆向きの電流、電圧でも起こる。

このようなヒステリシスを持つＴ−Ｖ特性の接合二個を
一つのリング中に有するｄｃスクィッドの基本構成を第
３図に示す。同図で３および３′は上記のトンネル形ジ
ョセフソン接合でスクィッドルーブ１の中に配置されて
いる。そのルーブ１に電流端子１０、１ｌが接合を各プ
ラン壬に一つずつ有するような位置で設置されている。

電流端子から流し込む電流値Ｉ，に応じ各ジョセフソン
接合が電『状態か否かで電圧端子】２、１３間の電圧発
生の有無が決まる。その電圧発生のしきい電流値■，は
二つの接合の強さ（特性）とその対称性や電流端子の設
定位置（ループ内の端子位置の対称性）によって変化し
、さらに重要なことはループに加わる外部磁束の変化に
ともない磁束星子の大きさを一周期として周期的に変化
することである。その外部磁束の関数として表したしき
い電流値の特徴を第４図に示す。同図において曲線に囲
まれた内部がゼロ電圧状態で、外側が電圧状態である。

即ちその曲線がしぎい電流値■５で、外部磁束に対して
周期的に変化し、その周期は磁束量子φ。（図中のｎは
ループ内の磁束量子数）になっている。

ｄｃ−スクィッドの従来の駆動・検出方法の一般的な説
明は多くの文献に記載されているが、代表的なものとし
ては「ジョセフソン効果（基礎と応用）」（電気学会搗
）や「ジゴセフソン効果の物理と応用」　（近代科学社
）等がある。以下にその概要を簡単に記述する。基本回
路構成を第１図に示す。同図においてスクィッド１は電
流源２により直流電流をバイアスとして供給されている
。

そのバイアス電流値を適当に固定することで二つのジョ
セフソン接合３および３′は＞Ｖ特性で決まる電圧状態
になり電圧端子４には有限な電圧が発生する。この電圧
はスクィッドを貫通する磁束の大きさに対して周期的に
変化しその周期の大きさは、磁束量子φｏ　（２．０７
ｘ　１　０−’　Ｇａｕｓｓ　・ｃｆｆｌ）になってい
る。この周期的に変化する応答を外部磁束の変化の大き
さに比例するような線形化出力に変換する検出系が前置
増幅器５、ａｆ発信器６、位相検波器７（ロックインア
ンプ）および積分器８から或る回路系である。即ちスク
ィッドにコイル９により周波数ｆ０の交流（ａｆ）磁界
を外部磁界に重畳してかけ、その時のｄ．　ｃ−スクィ
ッドからの出力のうちａｆ交流磁界と同周波数１０で応
答する戒分だけを選択的に増幅するいわゆる位相検波、
増幅を行うのである。このようにするとａｆ交流磁界の
中心がスクィッドの外部磁界に対する周期的応答の山部
あるいは谷部いずれかの頂点にあれば、スクィッドから
の応答は周波数２ｆｏの戒分のみとなり位相検波の出力
は零である。外部磁界が変化しａｒ磁界の中心が頂点か
らずれてくると、周波数ｒ０の応答或分が現れ、位相検
波の出力はそのずれ方に応して正負の出力になる。

さらにこの出力を積分し、時定数で決められるある時間
内の過去の振舞いに応じた積分出力をスクィッドの近傍
に置いたコイル９へ電流として％＋ｉさせることで磁界
を発生し外部磁界の変化を打ち消して常に位相検波出力
を零にするいわゆる“′零方法′゛を構或している。（
この状態は「ロソクされている」とも呼ぶ。）このよう
にして最終的に外部磁界の変化は負帰還させる電流値を
記録することで、磁界変化に対応ずる線形化した出力を
得ている。

（本発明が解決しようとする課Ｍ） 上記の従来の磁界の変化の検出方法では、位相検波を行
うロックインアンプの入力可能周波数までがａｆ変調周
波数ｆ０の限界であり通常は１０Ｋ〜５０ＫＨｚが使わ
れる。仮にｆｏ−５０　ＫＨｚとすると変動する被検出
磁界に対する検出系のおよその追従限界周波数は１．　
　ＫＨｚ程度以下になりそれを磁束の変化量も併せて磁
束量子の単位で表すとスルーレートと呼ばれる量で１０
３〜１０４　φ。／ｓｅｃになる。従来の方法での問題
点の一つはスクィソド検出系の高周波追従性がロックィ
ンアンプの能力で制限される比較的低い値に押さえられ
ていることである。

従来の方法ではノイズについても次のような問題点があ
る。印加磁界の変化に伴う第一図の端子４に現れるスク
ィッドからの電圧変化はμ■（マイクロボル１・）程度
で、ロックィンアンプ７への入力のためには１０００倍
近い増幅を前置増幅器５にて行うが、この増幅のプロセ
スでスクィッドノイズのかなりの部分が導入されること
である。

また、スクィッド素子として製作性や安定性の良好さか
らトンネル型素子が用いられるが、この型の素子に特徴
的なヒステリシス特性を避けるために接合部と並列に短
絡抵抗（以後シャント抵抗）を設けるためそこから発生
する熱雑音がスクィッドからの本質的なノイズとなる問
題点もある。

それ故に、本発明は、前述した従来技術の不具合を解消
させることを解決すべき課題とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前述した課題を解決するために、超伝導閉ル
ープに二ケ所のジョセフソン接合を有し、その各ジョセ
フソン接合を別々のブランチに一ケ所づつ有する様に設
けたバイアス電流の注入端子を有し且つ上記ジョセフソ
ン接合をトンネル型接合とし、それぞれの接合の臨界電
流値を非対称にしたりバイアス電流の注入点を非対称な
位置に設定した技術手段を超伝導量子干渉計に応用する
。

さらに、又、本発明は、前述した課題を解決するために
、バイアス電流として０と適当な値の間をくり返す高周
波数の交流型電流を供給し、接合の出力電圧の積分値が
あらかじめ設定された基準の電圧に常に等しくなるよう
に負帰還をかけ、被検出磁束の変化を検出することを特
徴とする超伝導量子干渉計の駆動・検出回路方法を提供
する。

（実施例） しきい電流値特性を有するｄｃ−スクィフドを使った本
発明のスクィッド駆動検出回路の基本構戒の例を第５図
に示し、その磁束検出の原理および特徴について述べる
。第５図の１４は外部磁界を取り込むビックアップコイ
ルである。このコイルでとらえられた磁束はループ電流
に変換されインプットコイルｌ５によりスクィッドに印
加されることで外部磁束はスクィッドに伝達される。こ
の外部磁束の変化を次のようにして検出する。まずｄｃ
−スクィッドに接続された電流端子１０、１１にはＩ．
ｂ　＝　Ｉｂ＋Ｆ　（ｔ）なる波形のバイアス電流を電
流源２３により供給する。このＦ　（ｔ）はＯ〜１の間
の値を取る周期関数で、■，は例えば第６図（ａ）のよ
うに正にバイアスされた矩形波とか図示はしていないが
ｓｉｎ波的なものでも良い。Ｉ１の大きさは第４図で示
したしきい電流値特性の図中で示すようにしきい電流値
の変化する値の範囲の適当な値を選ぶ。このような周期
的バイアス電流Ｉ５を流した状態でＩｄを調節し、それ
によるオフセット磁束が第４図のΦ，になるようにする
と、Ｉ　ｂｌがしきい電流値になり、熱雑音などで電圧
状態と０電圧状態になる確率がＡになる状態が実現する
。この状態で外部磁界をインプットコイル１５により導
入し、それが変化した場合には上記の電圧状態になる確
率が％からどちらかにずれることになる。そのずれをあ
る基準値との比較から検出して負帰還をかけて元の確率
２の状態に戻すのに必要な磁束を印加するための電流の
変化を取り出して出力させることが外部磁界の変化の検
出の原理である。

検出方法及びその調整動作について第５図、第６図に基
ずいて具体的に説明する。前述のように■１は０と１の
間の値を周期的に推移する正にバイアスされた交流で第
６図（ａ）のように必ず０を通る必要がある。これはヒ
ステリシスのあるジョセフソン接合を一度Ｏ電圧状態に
戻すためである。

第４図のΦ１に相当するスクィッドルーブ１にオフセッ
ト磁界を与えることは第５図においてスインチ１６を開
いた状態で可変電圧源１８によりＩ４をｇ１１節しコイ
ル２３に磁束を発生させて行える。

このＩｄの調節は端子１９間の電圧波形をモニターし第
６図（ロ）のようにそこでのパルス観測の確率がＩ，で
与える電流パルス第６図（ａ）のＡになるように行うの
である。■，の調整後、端子１９間の電圧出力がＯにな
るように基準電圧源２０を調整する。この状態までは外
部磁界はスクィッドルーブには導入させないで行う。こ
のあとスイッチ１６を閉じ、外部磁界をインプットコイ
ル１５により導入すると第４図の横軸に相当する磁束が
外部磁界の変化に応じて変化し、そのことは動作点Ａが
移動することになる。この動作点Ａの移動は、第５図の
１７におけるパルス電圧の発生率が変化することになり
、ある時点数で積分し、符号を反転したのち、加算器２
ｌで基準電圧２０（リファレンス）との比較を行った後
の端子１９での出力が有限の値になる。この電圧を適当
な大きさの電流に変換するＶ−１変換器２２を通して■
４に加えることでフィードバックコイル２３より磁束が
スクィッドルーブ１に印加され、外部磁界の変化るこよ
る磁束変化を打ち消す働きをする。これはよく知られる
負帰還に上る零位法でありその時の１９の出力が外部磁
束の変化に比例した出力を与えることになる。

本発明での外部磁束変化の検出方法においてその被検出
磁界の変化に対する追従性を決める因子は、バイアス電
流工，の周波数である９本発明のスクィッド駆動・検出
回路では従来の様な位相検波方式を採っていないので、
そのためのロックイン゛アンブなどによる周波数の制限
はなく、スクィッド素子自身のスイッチングの速度によ
って決まる上限で制限される。その値は１０〜ｌ　Ｏ　
Ｏ　ＧＨｚほどの高周波で、従来の方式ではせいぜいｌ
００ＫＨｚ程度が上限とすれば本発明では原理的にはこ
の周波数比である４桁〜５桁ほど高周波追従性が改良さ
れることになる。

さらに本発明でのスクィッドからの出力はトンネル型接
合の電圧状態へのスイッチング電圧（第２図のｖｉ）の
程度なのでｍＶ（ミリボルト）のオーダーであり前置増
幅器が不要である。従って従来の方式での大きなノイズ
発生源を除けることになる。また、素子部にシャント抵
抗を設置しないことば従来のようにシャント抵抗を持つ
ものに比較して熱雑音が低くなることが知られており、
これらのことはスクィッドノイズについての大きな改良
になる。

（効果） 従来のｄ．　ｃ−スクィッド駆動検出回路による高周波
追従性の低さに＆びノイズ低減に対する改良を施した本
発明の主たる効果は上述したとおりであるがそれ以外に
次のような副次的効果も合わせ持つ。

（１）素子について ・従来のトンネル接合型スクィッドに設置されていたシ
ャント抵抗を本発明ではそれを不要にする。

二つのジョセフソン接合の特性の非対称を積極的に利用
するため従来のような特性を厳しく合わせることは必要
がない。

・スクィッドルーブの電流端子で分けられる二つのブラ
ンチのそれぞれのインダクタンスを厳しく合わせる必要
がない。即ちバイアス電流端子の設定位置の非対称か許
容される。

これらの特徴はスクィ・〉・ド製作、調整上の作業を軽
減するという効果にｔくる。

（２）駆動検出回路について 従来の駆動検出回路では重要な要素である前置増幅器、
ロフクィンアンプを衣発明の回路では不要にすることに
より、回路が単純化されさらに製作コストを低減すると
いう効果乙こなる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は従来のｄｃ−スクィノドの駆動・検出回路基本
構威図、第２図はトンネル型ジョセフソン接合のヒステ
リシスのあるｒ−■特性図、第３図はｄｃ〜スクィッド
の概略構或図、第４図は本発明のスクィッドのしきい電
流値特性図、第５図は本発明のスクィッド駆動・検出回
路の基本構或図、第６図（ａ）はバイアス電流の一例で
（ハ）はそのバイアス電流によるスクィッド出力電圧の
一例図である。 図中：１−　スクィンド、２−ジョセフソン接合、１４
−　ビンクアップコイル、１５−　インプットコイル、
１８　一可変電圧源、２〇一基準電圧源、２１一加算器
、２　２−Ｖ−１変換器、２３−フィードバックコイル
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超伝導閉ループに二ヶ所のジョセフソン接合を有
   し、その各ジョセフソン接合を別々のブランチに一ヶ所
   づつ有する様に設けたバイアス電流の注入端子を有し且
   つ上記ジョセフソン接合をトンネル型接合とし、それぞ
   れの接合の臨界電流値を非対称にしたりバイアス電流の
   注入点を非対称な位置に設定したことを特徴とする超伝
   導量子干渉計。
2. （２）バイアス電流として０と適当な値の間をくり返す
   高周波数の交流型電流を供給し、接合の出力電圧の積分
   値があらかじめ設定された基準の電圧に常に等しくなる
   ように負帰還をかけ、被検出磁束の変化を検出すること
   を特徴とする超伝導量子干渉計の駆動・検出回路方法。