JPH0335180A - １接合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ｌ接合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、電流が臨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（ＳＱＵ■Ｄ＝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）中に一
つのジョセフソン接合を持つものをｒｒ−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。本発明は前者のｒｆ−スクィッドについて
の駆動・検出方法に関するものである。

スクィッドは、前述した如く、駆動のために用いられる
バイアス方式の違いによってスクィッドルーブ中に１つ
のジョセフソン接合を持つものをｒｆ−スクィッド、２
つのジョセフソン接合を持つものをｄｃ−スクィッドと
呼ばれるが、本発明は、前者のｒｆ−スクィッドについ
ての駆動検出方法に関するものである。ｒｆ−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や
専門図書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）」（電気学会編）や
「ジョセフソン効果の物理と応用」（近代科学社）等が
ある。以下その概要について簡単に記述する。基本構成
回路を第１図に示す。

同図においてスイッチ１がｒｆ−発振器２につながれた
状態で（ｒｆモード）その発振器２のレベルの調整と十
分なインピーダンスを与える可変コンデンサ３を調整し
、そしてオシロスコープ６をモニタしなからＬＣ共振回
路４を可変コンデンサ５の調整によって共振状態にせし
め、ＬＣ共振回路４のコイルから相互インダクタンスＭ
を介してスクィッド７をバイアスし、さらにこの後スイ
ッチｌを抵抗８側（ａｆモード）に切り替えた状態でａ
ｆ−発振器９の信号により外部磁界の変化をスクィッド
に与えることで、ＬＣ発振回路４の両端には、外部磁界
の周期φ。（２，０７Ｘ１０−’Ｇ・ｃ１＆）で変化す
る電圧Ｖｒｆ　（ｒ　ｒ−スクィッドの三角波パターン
（■□−φ、ｆ）：第２図参照）がオシロスコープ６で
観測される。ａｆ−発振器９の振幅を小さくし、さらに
周期変化する電圧の山あるいは谷の部分をその動作点と
すると（ロックするという）、検出コイル１０．入力コ
イル１１によりスクィッドに導入される外部磁束が変化
することで動作点にずれが生ずる。このずれを検出する
のがｒｆ−増幅器１２、検波器１３、ａｆ−増幅器１４
、および位相検波器１５の回路系である。ａｆ−磁界（
周波数ｒ、）の中心が三角波パターンの山あるいは谷の
部分にロックされているとスクィッドからの応答は、周
波数２ｆｏの成分のみとなり位相検波の出力は零である
が、外部磁界が変化しａｆ−磁界の中心が頂点からずれ
てくると周波数ｆ、の応答成分が現れ、位相検波器１５
の出力は、そのずれ方に応じて正負の出力となり、この
出力を積分し、ある時定数で決められる時間内の過去の
振舞いに応じた積分値を帰還増幅器　１６を通してＬＣ
共振回路からスクィッドに負帰還させることで外部磁界
の変化を打ち消して常に位相検波出力を零にする、いわ
ゆる零位法を構成している。外部磁界の変化は負帰還さ
せる電流値を抵抗１７で電圧に変換して記録することで
磁界変化に比例する線形化した出力を得ている。

電流源１８は帰還電流のバイアスのための電流源である
。

（本発明が解決しようとする課題） このような従来の磁界の検出方法では、位相検波器の入
力可能周波数までがａｆ−変調周波数ｆｏの限界であり
通常はＩ　ＫＨｚ〜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Ｉ　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し
たのがスルーレートと呼ばれる量で１０３〜１０４φ、
　／ＳＥｃ程度になる。従来の方法における問題点の１
つはスフインド検出系の高周波追従性が位相検波器（ロ
ックインアンプ）の能力で制限される比較的低い値に抑
えられていることである。また従来の方式では、ノイズ
についても次のような問題点がある。外部磁界の変化に
伴う第１図のＬＣ共振回路４の両端に現れる電圧変化は
μＶ程度で位相検波を行うためには１００万倍近い増幅
をｒｆ−増幅器とａｆ−増幅器とで行うが、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。

（課題を解決するための手段とその作用）本発明は前述
した課題を解決するために、ｒｆ−スクィッドに外部磁
界に応じた磁場を印加する入力コイル、トンネル接合型
ジョセフソンジャンクションに同位相のバイアス電流を
供給するバ・イアスミ源、ジャンクシランに発生する電
圧に印加される基準電圧源、外部磁界の変化による磁束
変化を打ち消すようスクィッドルーフに磁界を印加する
帰還コイルからなるｌ接合超伝導量子干渉計を提供する
。

さらに、本発明は、ｒｆ−スクィッドを用い、それへの
バイアス電流としてＯと適当な値の間を繰り返す高周波
の電流を外部より供給し、ｒｆ−スクィッドリングで生
ずるパルス状の電圧でラッチされるトンネル接合型ジョ
セフソンジャンクションからの出力電圧の積分値が予め
設定されていた基準の電圧に等しくなるように負寿還を
かけてスクィッドに与えられる被検出磁束の変化を検出
することを特徴とする１接合超伝導量子干渉計の駆動・
検出方法を提供する。

本発明で用いるｒｆ−スクィッドは、第３図に示すよう
にスクィッドリングの内部磁界と外部磁界の関係（φ−
φ、特性）がヒステリシスを持つもの、すなわち同図で
外部磁界がＰ、をこえるとＱｌに転移が起こりそこから
外部磁界が減少するとＲ＋でＳ、に転移するものを用い
る。まず検出方法の原理及び特徴について述べる。第４
図に駆動検出回路を示す、同図の検出コイル１０で取り
込まれた外部磁界をループ電流で入力コイル１１に伝達
し同コイルからスクィッド７に磁場が印加される。この
外部磁場の変化を次のようにして検出する。まず高周波
電源１９によりｒｆ−スクィッド７とトンネル型ジッセ
フソン接合（以下：ジャンクション）２０に同位相のバ
イアス電流！。

−１ｂｔＦ（ｔ）、Ｉａ　＝１４ｔＦ　（ｔ）を供給す
る。

このＦ（ｔ）はＯ〜１の間の値をとる周期関数で例えば
第５図のような矩形波とか図示はしてないがＳＩＮ波的
なもので良い。■１の大きさは、それがスクィッドリン
グに作る磁束が第３図に示すｒｆ−スクィッドの内部磁
場−外部磁場特性（φ−φ、特性）のＰｏからＱｌに転
移するしきい値に相当する値に設定しである。■□の大
きさはジャンクシラン２０が電圧状態にならない値すな
わち臨界電流値よりも少し小さな値とする。ｒｆ−スク
ィッドが第３図でＰｏからＱ＋に転移が起こるとスクィ
ッドリングに非常に高速パルス（５ピコ秒）が発生し、
そのパルスを抵抗２１によって電流Ｉ、に変換してジャ
ンクシラン２０に流すと、そこに流れる電流はｈ＋Ｉ□
となりジャンクションの臨界電流を超え、その両端に電
圧が発生する。この電圧のバイアス電流に対する発生確
率は■１を調整することで、たとえば０．５にすること
ができる。この状態で外部磁界をインプットコイル１１
によりｒｆ−スクィッドに導入すると、電圧の発生確率
が０．５からずれる。このずれをある基準値との比較か
ら検出し負帰還をかけて元の確率０．５の状態に戻す。

この戻すために必要な電流の変化を取り出すことによっ
て外部磁界の変化を検出できるのである。

（実施例） 本発明の一例の１接合超伝導量子干渉計及びその駆動・
検出方法を第４図を用いて説明する。

まず、バイアス電源１９からのＩｈ、Ｉｍを前述した値
になるように可変抵抗２２と２３により調節する。その
調節はスイッチ３０を開いた状態にしてジャンクシラン
２０の両端電圧を増幅した増幅器（差動アンプ）２４の
出力を端子２５でモニタし、そこで観測されるパルスの
発生確率がバイアス電流に対して０．５になるように行
う。さらにそのパルスを積分器２７に入力して符号を反
転させた出力を得る。この値に電圧源２６からの基準電
圧（リファレンス）を加算器２９で加え端子２８での値
がＯになるように基準電圧源２６を調整する。この状態
までは外部磁界はスフィンドループに導入させないで行
う、この後スイッチ３０を閉じ、さらに検出コイルｌＯ
および入力コイル１１を介して外部磁界をスクィッドル
ープ７に導入するとその変化量に応じて第３図のＰ、か
らＱ。

に転移する確率が０．５からずれ、結局はじめにＯに設
定さていた端子２８での出力が外部磁界の変化に比例し
た出力を与える。この出力（電圧）をＶ−１変換器３１
を通して適当な大きさの電流に変換し、帰還コイル３２
でスクィッドループ７に磁界として印加することで外部
磁界の変化による磁束変化を打ち消すようにすることが
できる。これは、いわゆる負帰還による零位法であり、
この負帰還のループによりスクィッド内には一定の磁束
が保存されることになる。

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
！、（１，）の周波数である。本発明のスクィッド駆動
検出回路では従来のような位相検波方式を採っていない
のでロックインアンプ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速度によって決まる上
限で制限される。その値は１００ＧＩ（ｚ程度の高周波
で従来の方式では１００ＫＨｚ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５〜６桁程高周波追
従性が改善されることになる。さらに本発明でのスクィ
ッドからの出力がトンネル型接合の電圧状態へのスイッ
チング電圧で、この値はｍＶオーダーであり、従来のも
のはμＶのオーダーであるため、従来のものと比べると
非常に検出するのが容易でかつ前置増幅器が不要になり
Ｓ／Ｎ比の向上につながる。

（効果） 従来のｒｆ−スクィッド駆動検出回路による高周波追従
性の低さ及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通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。

即ち、従来の駆動・検出回路では重要な要素であった前
置増幅器、ロックインアンプを本発明の回路では不要に
したため回路が単純化され、製作コストを低減するとい
う効果を持つ。

【図面の簡単な説明】

角波応答、第３図は、ｒｆ−スクィッドのヒステリシス
を持った内部磁場−外部磁場（φ−φＫ）特性、第４図
は、本発明のスクィッド駆動検出回路の基本構成図、第
５図は、バイアス電流及びそのバイアス電流による出力
電圧の一例である。 図中：７−・スクィッド、１１−・・入力コイル、バイ
アス電源、 ２０−ジャンクション、 ２４・−差動アンプ、 ２６−基準電圧源、 ２７・・−積 分器、 ３２−帰還コイル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｒｆ−スクィッドに外部磁界に応じた磁場を印加
   する入力コイル、トンネル接合型ジョセフソンジャンク
   ションに同位相のバイアス電流を供給するバイアス電源
   、ジャンクションに発生する電圧に印加される基準電圧
   源、外部磁界の変化による磁束変化を打ち消すようスク
   ィッドルーフに磁界を印加する帰還コイルからなる１接
   合超伝導量子干渉計。
2. （２）ｒｆ−スクィッドを用い、それへのバイアス電流
   として０と適当な値の間を繰り返す高周波の電流を外部
   より供給し、ｒｆ−スクィッドリングで生ずるパルス状
   の電圧でラッチされるトンネル接合型ジョセフソンジャ
   ンクションからの出力電圧の積分値が予め設定されてい
   た基準の電圧に等しくなるように負帰還をかけてスクィ
   ッドに与えられる被検出磁束の変化を検出することを特
   徴とする１接合超伝導量子干渉計の駆動・検出方法。