KR20060019203A - Aharonov-bohm device for measuring frequency of oscillating magnetic field and for amplifying current by frequency change - Google Patents

Aharonov-bohm device for measuring frequency of oscillating magnetic field and for amplifying current by frequency change Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 반도체 기판 상의 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프, 상기 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프를 연결하는 리드선, 상기 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프를 연결하는 리드선과 대향 방향으로 연장되는 리드선, 및 상기 제 1 폐루프 및 상기 제 2 폐루프 사이에 인가되는 바이어스 전압(Δμ)을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 폐루프 내에 각각 시간에 따라 변하는 제 1 및 제 2 자속을 제공하여, 전류-전압 특성 곡선에서 전류의 계단(step)이 발생하는 아하로노브-봄 장치가 개시된다.According to the present invention, a first closed loop and a second closed loop on a semiconductor substrate, a lead wire connecting the first closed loop and the second closed loop, and extending in a direction opposite to the lead wire connecting the first closed loop and the second closed loop. A lead wire, and a bias voltage Δμ applied between the first closed loop and the second closed loop, and providing first and second magnetic fluxes varying in time in the first and second closed loops, respectively. Thus, an aharonov-spring device is disclosed in which a step of current occurs in a current-voltage characteristic curve.

아하로노브-봄 장치, 바이어스 전압Aharonov-Spring Device, Bias Voltage

Description

진동 자기장의 주파수 측정 및 주파수 변화에 의한 전류 증폭을 위한 아하로노브-봄 장치{Aharonov-Bohm Device for measuring frequency of oscillating magnetic field and for amplifying current by frequency change}Aharonov-Bohm Device for measuring frequency of oscillating magnetic field and for amplifying current by frequency change}

도 1은 본 발명의 아로노프-봄 장치의 일 실시예를 도시한다.Figure 1 shows one embodiment of the aronov-spring device of the present invention.

도 2는 본 발명의 아로노프-봄 장치의 전류(I)-전압(Δμ=eV) 특성 곡선을 도시한다.Figure 2 shows the current (I) -voltage (Δμ = eV) characteristic curve of the Arronov-spring device of the present invention.

도 3은 도 2의 경우에 대한 도 1의 아하로노브-봄 장치의 전달 계수를 도시한다.FIG. 3 shows the transfer coefficients of the Aharonov-spring device of FIG. 1 for the case of FIG. 2.

도 4는 본 발명의 아로노프-봄 장치의 주파수 변화에 의한 전류 증폭을 보여주는 전류(I)-전압(V=Δμ/e) 특성 곡선을 도시한다.4 shows a current (I) -voltage (V = Δμ / e) characteristic curve showing the current amplification by the frequency change of the Arronov-spring device of the present invention.

도 5는 본 발명의 아로노프-봄 장치의 진폭 변화에 의한 전류 증폭을 보여주는 전류(I)-전압(V=Δμ/e) 특성 곡선을 도시한다.5 shows a current (I) -voltage (V = Δμ / e) characteristic curve showing the current amplification by the change in amplitude of the Arronov-spring device of the present invention.

본 발명은 약한 진동 자기장의 주파수 측정 및 진동 자기장의 주파수 또는 진폭의 변화에 의해 전류을 증폭시키는 장치인 아하로노브-봄 장치(Aharonov-Bohm device)에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 약한 진동 자기장의 주파수를 측정하는데 사용될 수 있는 마이크로 또는 나노 크기의 주파수 측정 기기로 특히 자기 공명 이미징 (MRI) 장치와 같은 강한 정적 자기장하에서 존재하는 약한 진동 자기장의 주파수 측정에 적용 가능하며, 또한 주파수 또는 진폭의 변화에 의해 전류의 증폭이 가능한 신개념 트랜지스터로 원격 스위치나 통신 기기에 적용 가능한 아하로노브-봄 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an Aharonov-Bohm device, which is a device for amplifying a current by measuring the frequency of a weakly vibrating magnetic field and changing the frequency or amplitude of the vibrating magnetic field. More specifically, the present invention is a micro or nano-sized frequency measuring instrument that can be used to measure the frequency of a weakly vibrating magnetic field, especially the measurement of the frequency of a weakly vibrating magnetic field which exists under strong static magnetic fields, such as magnetic resonance imaging (MRI) devices. The present invention relates to an aharonov-spring device, which is applicable to a remote switch or a communication device, which is a new concept transistor which is applicable to and which can amplify a current by a change in frequency or amplitude.

최근에 고도로 발달된 제조 기법으로 인해 양자 코히어런스(가간섭성)을 유지하는 새로운 양자 장치의 발명이 가능하게 되었다. 이러한 양자 장치 중의 일부는 유용한 물리량 또는 일부 기본 물리 상수를 측정하는 새로운 방법을 제공하고 있으며, 또 다른 일부 양자 장치는 현존하는 마이크로미터 크기의 전계효과 장치를 향후 대체할 것으로 예상된다. Recent highly developed manufacturing techniques have enabled the invention of new quantum devices that maintain quantum coherence. Some of these quantum devices provide new methods for measuring useful physical quantities or some basic physical constants, while others are expected to replace existing micrometer-sized field effect devices in the future.

새로운 양자 장치의 개발은 나노 크기의 전자 장치를 연구하는 이론가 및 실험자는 물론 반도체 연구실의 연구자들에게 관심 대상의 하나가 되어 왔다. 산업적인 관심 이외에도, 양자 가간섭성을 유지하는 나노 크기 시스템은, 비록 제조 기법 상의 난점으로 인해 모든 이론적인 아이디어가 실현될 수 있는 것은 아니지만, 나노 전자공학(nano electronics 또는 mesoscopic physics) 분야를 매우 유망한 분야로 만들었다.The development of new quantum devices has been of interest to theorists and experimenters of nanoscale electronic devices, as well as to researchers in semiconductor labs. In addition to industrial interest, nanoscale systems that maintain quantum coherence are very promising in the field of nanoelectronics (nano electronics or mesoscopic physics), although not all theoretical ideas can be realized due to difficulties in manufacturing techniques. Made into fields.

약한 진동 자기장의 주파수를 측정하는 종래 기술은 조셉슨 접합의 ac 효과 (또는 교류 효과)를 이용하는 방법이 공지되어 있다(디. 알. 틸리 및 제이. 틸리, 초유동 및 초전도, 존 윌리 앤 선즈, 뉴욕, 1974). 또한 조셉슨 접합을 이용한 초 전도 양자 간섭 장치 (SQUID)가 많이 사용되고 있으나, 이 방법은 초전도체를 사용하므로 자기 공명 이미징 (MRI) 기법이나 핵자기 공명 실험 등에서는 강한 정적 자기장 때문에 초전도성이 상실되기 때문에 SQUID를 사용하지 못하고 있다. 나아가, 소정 장치에 사용되는 재료(소재)의 페르미 에너지를 측정하는 것이 매우 유용한데, 그 이유는 페르미 에너지 값을 알면, 1차원에 대해서는 k F =πn/2로, 그리고 2차원에 대해서는 k F = (2πn)1/2로 페르미 파동 벡터를 지배하는 전자 밀도를 알 수 있기 때문이다. 재료의 전자 밀도를 알아내는 것은 종래에 여러가지 방법이 있었으나, 페르미 에너지를 측정하여 전자 밀도를 알아내는 방법은 현재까지 알려져 있지 않다.Conventional techniques for measuring the frequency of weakly vibrating magnetic fields are known using the ac (or alternating) effect of Josephson junctions (D. R. Tilly and J. Tilly, superfluid and superconducting, John Willie & Sons, New York) , 1974). In addition, superconducting quantum interference devices (SQUID) using Josephson junctions are widely used, but this method uses superconductors, so SQUID is lost due to strong static magnetic field in magnetic resonance imaging (MRI) or nuclear magnetic resonance experiments. I cannot use it. Furthermore, to be useful for measuring the Fermi energy of the material (material) for use in a given device, because knowing the Fermi energy value, for the one-dimensional k F = πn / 2 in, and for the two-dimensional k F This is because the density of electrons dominating the Fermi wave vector can be known as (2πn) 1/2 . There have been various methods of determining the electron density of a material, but a method of determining the electron density by measuring Fermi energy is not known until now.

본 발명의 또 다른 종래 기술로는 2003년 7월2일자로 대한민국 공개특허 제 2003-55346호(특허출원 제 2003-7007723호)에 공개된 “나노 센서”가 개시(disclose)되어 있다. 상기 종래 나노 센서 발명에는 나노 와이어들로 구성된 전기 장치 및 나노 검출기 장치들이 개시되어 있다. 이러한 종래 기술의 나노 스케일 장치는 적어도 하나의 나노 와이어의 특성으로 변화를 측정하기 위한 적어도 하나의 나노 와이어 및 수단을 포함하는 센서로, 주로 화학 샘플의 어날라이트(analyte) 존재 또는 양을 측정하기 위한 것이다.Another conventional technology of the present invention discloses a "nano sensor" disclosed in the Republic of Korea Patent Publication No. 2003-55346 (Patent Application No. 2003-7007723) dated July 2, 2003 (disclose). The conventional nanosensor invention discloses an electrical device and a nano detector device composed of nano wires. This prior art nanoscale device is a sensor comprising at least one nanowire and a means for measuring a change in the properties of at least one nanowire, mainly for measuring the presence or amount of analyte in a chemical sample. will be.

본 발명은 양자 장치의 전류-전압 (I-V) 특성에 있어서 새로운 형태의 전류 점프 또는 계단(steps)을 이용하여 마이크로 또는 나노 크기의 동적 자기장의 주파 수를 측정할 수 있는 아하로노브-봄 장치(Aharonov-Bohm device)를 제공한다.The present invention provides a Haronov-spring device capable of measuring the frequency of a dynamic magnetic field of micro or nano size using a new type of current jump or steps in the current-voltage (IV) characteristics of a quantum device. Aharonov-Bohm device).

본 발명의 또 다른 목적은 동적 자기장의 주파수 또는 진폭의 변화를 통해 전류를 증폭시키는 새로운 개념의 트랜지스터로써 원격 스위치, 통신 수신기, 자기장 센서 등에 다양한 응용이 가능한 아하로노브-봄 장치를 제공하기 위한 것이다. It is still another object of the present invention to provide a Haronov-spring device that can be applied to a remote switch, a communication receiver, a magnetic field sensor, and the like as a new concept transistor that amplifies a current through a change in frequency or amplitude of a dynamic magnetic field. .

본 발명의 또 다른 목적은 초전도 장치가 사용될 수 없는 강한 정적 자기장이 존재하는 의료용 기기인 MRI나 NMR에서 발생하는 약한 동적 자기장의 주파수를 측정하는데 사용할 수 있는 아하로노브-봄 장치를 제공하기 위한 것이다. It is still another object of the present invention to provide an aharonov-spring device that can be used to measure the frequency of weak dynamic magnetic fields generated in MRI or NMR, which is a medical device with a strong static magnetic field where superconducting devices cannot be used. .

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 아하로노브-봄 장치는 반도체 기판 상의 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프, 상기 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프를 연결하는 리드선, 상기 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프를 연결하는 리드선과 대향 방향으로 연장되는 리드선, 및 상기 제 1 폐루프 및 상기 제 2 폐루프 사이에 인가되는 바이어스 전압을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 폐루프 내에 각각 시간에 따라 변하는 위상을 갖는 제 1 및 제 2 자속을 제공하여, 전류-전압 특성에서 전류의 계단(step)이 발생하는 것을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the above object, the aharonov-spring device of the present invention is a lead wire connecting the first closed loop and the second closed loop, the first closed loop and the second closed loop on the semiconductor substrate, the first closed loop and A lead wire extending in a direction opposite to a lead wire connecting the second closed loop, and a bias voltage applied between the first closed loop and the second closed loop, wherein each of the first and second closed loops is provided at a time in the first and second closed loops. The first and second magnetic fluxes having the phases varying accordingly are provided, so that a step of the current occurs in the current-voltage characteristic.

본 발명의 아하로노브-봄 장치는 간단한 나노 전자공학 장치로 서로 연결된 적어도 2개의 폐루프를 포함한다. 상기 2개의 폐루프는 서로 연결된 선과 대향하는 방향의 리드선에 전위차 △V=△μ/e를 제공하는 전원을 갖는다. 상기 폐루프에는 각각 정적 자속과 동적 자속이 통과하는데, 상기 동적 자속은 서로 동일하거나 상 이한 위상을 갖는다. 자속 양자 단위 Φ0=h/e의 반(1/2) 정수배를 갖는 정적 자기장이 인가되면, 본 발명의 아하로노브-봄 장치는 전위차가 인가된 상태에서도 접합부(junction)에서의 완전한 상쇄 간섭으로 인해 전류가 흐르지 않는다. 그러나 이 상태에서 동적 자속이 가해지면 특별한 에너지 값에서만 전자들의 이동이 가능하다. 이러한 구체적인 예는 후술하는 바와 같이 도 3의 전달 계수에 의해 예시되어 있으며, 이러한 특성은 계단식 전류(I)-전압(Δμ) 특성 곡선으로 나타난다. 양자 펌핑에서처럼 위상이 상이한 두 개의 동적 자속을 사용할 수도 있고, 위상이 동일한 두 개의 동적 자속을 사용할 수도 있으나, 본 실시예에서는 장치의 편의성을 고려하여 후자를 선택한다. The aharonov-spring device of the present invention comprises at least two closed loops connected to each other with simple nanoelectronic devices. The two closed loops have a power source that provides a potential difference ΔV = Δμ / e to lead wires in a direction opposite to the lines connected to each other. Static and dynamic magnetic fluxes pass through the closed loop, respectively, and the dynamic magnetic fluxes have the same or different phases. When a static magnetic field having a half (1/2) integer multiple of the magnetic flux quantum unit Φ 0 = h / e is applied, the Aharonov-spring device of the present invention is completely canceled at the junction even with the potential difference applied. Because of this, no current flows. However, in this state, when dynamic magnetic flux is applied, electrons can move only at special energy value. This specific example is illustrated by the transfer coefficient of FIG. 3 as described below, which is represented by a stepped current (I) -voltage (Δμ) characteristic curve. As in quantum pumping, two dynamic magnetic fluxes having different phases may be used, or two dynamic magnetic fluxes having the same phase may be used. However, in the present embodiment, the latter is selected in consideration of the convenience of the apparatus.

본 발명의 아하로노브-봄 장치에서 각각의 폐루프를 통과하는 정적 자속 또는 동적 자속의 진폭 및 주파수는 게이트 전압의 역할을 할 수 있기 때문에, 본 발명의 아하로노브-봄 장치는 3개의 터미널을 갖는 트랜지스터 장치로서 작동될 수 있다. Since the amplitude and frequency of the static or dynamic magnetic flux passing through each closed loop in the Aharonov-spring device of the present invention can serve as a gate voltage, the Aharonov-spring device of the present invention has three terminals. It can be operated as a transistor device having a.

본 발명의 아하로노브-봄 장치는 주파수 변화에 의한 전류 증폭 장치 및 진폭의 변화에 의한 전류 증폭 장치로도 활용될 수 있어 원격 스위치, 통신 수신기, 원격 자기장 센서 등으로 사용될 수 있다.The Aharonov-spring device of the present invention can be used as a current amplification device by a frequency change and a current amplification device by a change in amplitude, and thus can be used as a remote switch, a communication receiver, a remote magnetic field sensor, and the like.

본 발명의 아하로노브-봄 장치는 강한 정적 자기장하에서 약한 동적 자기장의 측정이 불가능한 기존의 초전도 양자간섭계를 대신하여 약한 동적 자기장의 주파수 측정이 가능한 이점이 있으며, 따라서 MRI이나 NMR 등에서 약한 동적 자기장 의 주파수 측정용으로 사용될 수 있다. The Aharonov-Spring device of the present invention has the advantage that it is possible to measure the frequency of weak dynamic magnetic field in place of the conventional superconducting quantum interferometer which cannot measure the weak dynamic magnetic field under strong static magnetic field. Can be used for frequency measurement.

이하에서는 실시예를 참조하여 본 발명을 구체적으로 기술한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples.

도 1에는 본 발명의 아하로노브-봄 장치의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바람직한 실시예에서, 아하로노브-봄 장치는 링 형상의 2개의 폐루프를 포함한다. 그러나 링 형상의 폐루프는 사각형 등 기타 다른 임의 형태의 형상을 가질 수 있다. 1 shows one embodiment of the Aharonov-spring device of the present invention. In the preferred embodiment shown in FIG. 1, the Aharonov-spring device comprises two closed loops in the shape of a ring. However, the ring-shaped closed loop can have any other shape, such as square.

도 1에 도시된 2개의 폐루프는 선으로 연결되어 있으며, 2개의 폐루프는 또한 연결선과 각각 대향하는 리드선을 구비한다. 2개의 폐루프 간 (A점 및 B점 사이)에는 외부 바이어스 전위차 △V=△μ/e를 제공하는 전원이 연결되어 있다. The two closed loops shown in FIG. 1 are connected by lines, and the two closed loops also have lead wires respectively facing the connecting line. A power supply providing an external bias potential difference ΔV = Δμ / e is connected between two closed loops (between the points A and B).

만일 자기 양자의 1/2 정수배(half integer: 즉, 1/2, 3/2, 5/2, ... )를 갖는 정적 자속이 각각의 폐루프에 인가되면, 도 1에 도시된 링의 동일한 길이를 갖는 암(arm)을 통과한 후 접합부에서 완전한 아하로노브-봄 간섭으로 인해 바이어스 전압이 걸려 있어도 전류가 흐르지 않아야 한다. 그러나, 진동하는 약한 추가적인 자속이 있으면 전자가 완전 간섭을 극복하고 전류가 흐르게 된다. 진동 자기장에 의한 도움을 받아 전류가 흐르는 메카니즘을 “광자 도움형 터널링(photon assisted tunneling)"이라고 부른다. 에스. 샤피로(S. Shapiro)에 의해 최초로 관찰된 (피지칼 리뷰 11, 80 (1963)) ac 조셉슨 효과에서의 갑작스런 전류 점프는 상기 광자 도움형 터널링 현상의 전형적인 경우의 하나이다. If a static magnetic flux with half integers of magnetic protons (ie 1/2, 3/2, 5/2, ...) is applied to each closed loop, the ring shown in FIG. After passing through the arm with the same length, current must not flow even though the bias voltage is applied due to full Aharonov-spring interference at the junction. However, if there is a weak additional magnetic flux that vibrates, electrons will overcome full interference and current will flow. The mechanism through which the current flows with the help of a vibrating magnetic field is called “photon assisted tunneling.” First observed by S. Shapiro (Physical Review 11, 80 (1963)). The sudden current jump in the ac Josephson effect is one of the typical cases of the photon assisted tunneling phenomenon.

도 1에서는 완전 간섭 조건 하에서 전자들의 이동은 좌측 리드선으로부터 입사하여 좌측 폐루프를 진행한 후 상기 좌측 리드선으로 복귀하여야만 한다. 따라서 폐회로 내에 존재하는 전자의 가능한 파벡터(wave vector) k n k n =(n+1)π/2ℓ로 양자화되어야 하며, 여기서 n은 0,1,2,....이고, ℓ은 상기 폐루프의 상부 또는 하부 암(즉, 도 1에서는 반원)의 길이이다. 따라서, 광자 도움형 터널링은 에너지 값이 En±ħω에서 발생할 수 있으며, 여기서 En은 En=ħ2 k n 2/2m e로 주어지고, me는 전자 질량, ω는 진동하는 자속의 각주파수이며, 복호기호 ±는 광자의 흡수(+) 및 방출(-)을 의미한다. In FIG. 1, the movement of electrons under the complete interference condition should be incident from the left lead line, proceed to the left closed loop, and then return to the left lead line. Thus, the possible wave vector k n of electrons in the closed circuit must be quantized with k n = (n + 1) π / 2ℓ, where n is 0,1,2, ... The length of the upper or lower arm (ie, semicircle in FIG. 1) of the closed loop. Thus, photon assisted tunneling can occur at an energy value of En ± ħω, where En is given by En = ħ 2 k n 2 / 2m e , m e is the electron mass and ω is the angular frequency of the oscillating magnetic flux. , Decode ± means absorption (+) and emission (-) of photons.

상술한 바와 같이, 광자 도움형 터널링은 특정 에너지에서만 발생하며, 다른 에너지 값에서는 완전 간섭이 전달을 제한하기 때문에, 진동하는 자기장의 세기(강도)가 충분히 약한 경우에는 전달 스파이크가 에너지 값 En±ħω에서 발생할 것이 예측되며, 전달 계수에서의 이러한 스파이크 발생은 전류-전압(I-V) 특성에서 갑작스런 전류 점프의 발생을 보장한다. As mentioned above, photon assisted tunneling occurs only at certain energies, and at other energy values, full interference limits the transmission, so if the strength (strength) of the oscillating magnetic field is sufficiently weak, the propagation spikes have an energy value of En ± ħω. Is expected to occur, and this spike occurrence in the transfer coefficient ensures the occurrence of a sudden current jump in the current-voltage (IV) characteristic.

다시 도 1로 돌아가면, 각 폐루프에는 진동하는 자속 Back to Figure 1, each closed loop vibrates magnetic flux

f(t)=fs+fd cos(ωt+φ), f(t)=Φ(t)/Φ0 f (t) = fs + fd cos (ωt + φ ), f (t) = Φ (t) / Φ 0

가 인가된다. 상기 자속 f는 자속 양자 단위인 Φ0=h/e로 표시되며, 좌, 우측 폐루프에 대해 서로 다른 위상 φ를 도입할 수 있다. Is applied. The magnetic flux f is represented by φ 0 = h / e , which is a magnetic flux quantum unit, and may introduce different phases φ for left and right closed loops.

본 발명에서는 제어 파라미터를 줄이기 위해 각각의 폐루프에 대해 동일한 크기의 정적 자속 fs 및 동적 자속 fd를 인가하며, 장치 제작의 편의성을 위해 좌, 우측 폐루프에 동일한 위상(즉, 위상차=0)을 취한다. In the present invention, the static flux fs and the dynamic flux fd of the same magnitude are applied to each closed loop to reduce the control parameters, and the same phase (ie, phase difference = 0) is applied to the left and right closed loops for the convenience of manufacturing the device. Take it.

본 발명의 아하로노브-봄 장치에서는 정적 자속 fs, 동적 자속 fd, 및 주파수 ω가 모두 전류의 세기를 제어할 수 있다. In the Aharonov-spring arrangement of the present invention, the static flux fs, the dynamic flux fd, and the frequency ω can all control the strength of the current.

각 폐루프 사이에 전위차 △V=△μ/e를 제공하면 본 발명의 장치에 흐르는 전류는 △μ=μLR>0 (μL과 μR은 좌, 우측 리드선의 화학포텐셜임)인 경우,Each waste by providing a potential difference △ V = △ μ / e between loop currents flowing in the apparatus of the present invention △ μ = μ L -μ R> 0 (μ L and μ R is left, being chemical potential of the right lead) If is

I(△μ)=(2e/h)∫0 EF[T(E)-T(E)]dE+(2e/h)∫EF EF+△μ T(E)dE (1)I (△ μ) = (2e / h) ∫ 0 EF [T (E) -T (E)] dE + (2e / h) ∫ EF EF + △ μ T (E) dE (1)

로 주어진다. 상기 식 (1)에서 오른쪽의 첫째 항은 좌, 우측 폐루프에 동일한 위상을 취하는 경우 0이 된다. 상기 식 (1)에서 EF는 페르미 에너지이고 T(E)는 에너지 E 상태의 전자가 좌측 리드선에서 우측 리드선으로 이동하는 전달 확률이다. 에너지 값은 폐루프에 존재할 수 있는 가장 낮은 고유에너지 E02π2/(8ℓ 2me)를 단위로 하여 나타낸다. 여기서 ℓ은 폐루프 길이의 반이며 me는 전자의 질량이다.Is given by In Equation (1), the first term on the right side is zero when the same phase is taken in the left and right closed loops. In Equation (1), E F is a Fermi energy and T (E) is a transfer probability in which electrons in an energy E state move from the left lead wire to the right lead wire. The energy values are expressed in units of the lowest intrinsic energy E 0 = ħ 2 π 2 / (8ℓ 2 m e ) that may be present in the closed loop. Where l is half the closed loop length and m e is the mass of the electron.

도 2는 페르미 에너지 EF=9E0인 경우에 대한 전류(I)-전압(V) 특성 곡선을 도시한다. 구체적으로, 도 2a는 fs=0.5, fd=0.05, 동적 자속의 각진동 주파수 ω=2.8E0/ħ인 경우의 전류 계단을 도시하고 있으며, 도 2b는 fs=0.49, fd=0.05, 동적 자속의 각진동 주파수 ω=2.8E0/ħ인 경우의 전류 계단을 도시하고 있다. 2 shows a current (I) -voltage (V) characteristic curve for the case of Fermi energy E F = 9E 0 . Specifically, FIG. 2A shows the current steps when fs = 0.5, fd = 0.05, angular vibration frequency ω = 2.8E 0 / ħ of dynamic magnetic flux, and FIG. 2B shows fs = 0.49, fd = 0.05, dynamic magnetic flux The current step is shown when the angular vibration frequency of ω = 2.8E 0 / ħ.

본 발명의 실시예에서는, 폐루프의 둘레 길이가 200nm인 경우, 도 2에 도시된 에너지는 E0=9.4meV(밀리 전자볼트)이며, 전류는 I0=0.72nA(나노 암페어)이고, 동적 자속의 주파수 단위는 ν 0=E0/h=2.3GHz가 된다. 한편 자속 양자 단위 Φ 0=h/e (즉, fs=1)를 얻기 위해 필요한 자기장의 세기는 폐루프의 둘레 길이를 200nm로 할 경우 0.3T(테슬라)가 필요하다. 따라서, fs=0.5가 되기 위해 필요한 자기장은 0.15T이며, 폐루프의 둘레 길이를 달리하면 필요한 정적 자기장의 세기도 달라진다.In the embodiment of the present invention, when the circumferential length of the closed loop is 200 nm, the energy shown in FIG. 2 is E 0 = 9.4 meV (milli-electron volts), the current is I 0 = 0.72 nA (nano amps), and the dynamic The frequency unit of the magnetic flux is ν 0 = E 0 /h=2.3 GHz. On the other hand, the strength of the magnetic field required to obtain the magnetic flux quantum unit Φ 0 = h / e (that is, fs = 1) requires 0.3T (Tesla) when the circumferential length of the closed loop is 200 nm. Therefore, the magnetic field required for fs = 0.5 is 0.15T, and changing the circumferential length of the closed loop also changes the strength of the required static magnetic field.

도 3은 페르미 에너지가 9E0일 때 도 1의 아하로노브-봄 장치의 전달 계수를 보여주고 있다. 구체적으로, 도 3a는 fs=0.5, fd=0.05, 동적 자속의 주파수 ν=2.8E0/h인 경우이며, 도 3b는 fs=0.49, fd=0.05, 동적 자속의 주파수 ν=2.8E0/h인 경우이다. 도 2의 전류 계단은 도 3의 전달 스파이크에 1:1 대응하며, 그 위치는 위로 향하는 이중 화살표에서 좌우로 ħω 떨어진 곳이다. 즉, 이에 해당하는 한 쌍의 전류 점프는 2ħω만큼 떨어져 있다. 이중 화살표의 위치는 전자가 폐루프에 존재할 때 가지는 고유에너지의 위치로 En=n2E0로 주어지고, 여기서 n은 양의 정수(즉, n=1, 2, 3,....)이다. 도 3b에는 여분의 스파이크가 아래로 향하는 이중 화살표 위치에 나타나는 것으로, 이는 fs=0.5에서 벗어날 때 나타나는데, 해당 위치의 에너지는 (2n-1)2E0로 주어진다. FIG. 3 shows the transfer coefficient of the Aharonov-spring device of FIG. 1 when the Fermi energy is 9E 0 . Specifically, Figure 3a is fs = 0.5, fd = 0.05, if the frequency ν = 2.8E 0 / h of a dynamic magnetic flux, and Figure 3b is fs = 0.49, fd = 0.05, the frequency of the dynamic magnetic flux ν = 2.8E 0 / h. The current staircase of FIG. 2 corresponds 1: 1 to the transfer spike of FIG. 3, the position of which is ħω from the left and right in the upward double arrow. In other words, the corresponding pair of current jumps are separated by 2? Ω. The position of the double arrow is the position of the intrinsic energy that electrons have in the closed loop, where E n = n 2 E 0 , where n is a positive integer (ie, n = 1, 2, 3, ...). )to be. In FIG. 3B, extra spikes appear in the downward double arrow position, which appears when fs = 0.5, where the energy at that position is given by (2n-1) 2 E 0 .

도 2와 도 3을 통해 전류 계단의 위치를 전달계수의 스파이크에 일치시킴으로써 어떤 전류 계단 사이의 전압 간격 △V가 2ħω 또는 2hν에 해당하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 관계식 e△V=2hν를 통해, 동적 자속의 주파수 ν는 해당 전 압 간격 △V의 측정과 알려진 e/h 값을 사용해 ν=e△V/2h로부터 구해진다. 즉, 전압 간격 △V의 측정이 이루어지면, 공지의 값 e/h를 이용하여 미지의 주파수 ν의 정밀한 값을 얻을 수 있다. 또한, 주파수 ν의 값을 알고 있는 진동 자기장을 사용하는 경우에는, 전압 간격 △V의 측정을 통해 기본 상수값 h/e의 정밀한 측정값을 알 수 있다. 2 and 3, it is possible to confirm that the voltage gap ΔV between any current steps corresponds to 2 ? Ω or 2h ν by matching the position of the current step with the spike of the transfer coefficient. Therefore, through the relation eΔV = 2h v , the frequency v of the dynamic magnetic flux is obtained from v = eΔV / 2h using the measurement of the corresponding voltage interval ΔV and a known e / h value. That is, when the measurement of the voltage interval DELTA V is made, a precise value of the unknown frequency v can be obtained using the known value e / h. In the case of using a vibrating magnetic field which knows the value of the frequency ν , a precise measurement value of the basic constant value h / e can be known by measuring the voltage interval ΔV.

도 4는 본 발명의 아하로노브-봄 장치를 이용한 주파수 변화에 의한 전류 증폭을 보여주는 전류(I)-전압(V) 특성 곡선을 도시한다. 구체적으로, 도 4a는 페르미 에너지가 9.2E0일 때 fs=0.5, fd=0.05인 경우이며, 도 4b는 페르미 에너지가 9.2E0일 때 fs=0.49, fd=0.05인 경우이다. 도 4a 및 도 4b 각각의 경우에서, 동적 자속의 주파수는 ν=3.48E0/h, 1.8E0/h, 및 1.24E0/h이다. Figure 4 shows a current (I) -voltage (V) characteristic curve showing current amplification by frequency change using the Aharonov-Spring device of the present invention. Specifically, Figure 4a is a case where the Fermi energy is fs = 0.5, fd = 0.05 when 9.2E 0, Fig. 4b is a case where the Fermi energy is fs = 0.49, fd = 0.05 when 9.2E 0. In each case of FIGS. 4A and 4B, the frequencies of the dynamic magnetic flux are ν = 3.48E 0 / h, 1.8E 0 / h, and 1.24E 0 / h.

도 4를 다시 참조하면, 바이어스 전압 ΔV가 ΔV=3E0/e로 주어질 때, 즉 각각의 폐루프 둘레 길이를 200nm로 제작하는 경우 ΔV=3E0/e=28.2mV에 해당하는 전압을 걸어놓고, 주파수를 8GHz에서 4GHz로 줄이면 전류가 2.9pA (피코암페어)에서 58pA로 약 20배 증가한다. 이러한 전류값은 도 4a에서 △μ=3E0 (즉, ΔV=3E0/e)에 수직선을 긋고 해당 전류값을 읽은 후 해당 값들에 대해 상기 주어진 단위를 사용하여 얻을 수 있다. 따라서, fs=0.5인 경우, 동적 자기장이 없을 때는 전류가 0인 상태에서 4GHz의 동적 자기장을 인가하면 58pA의 전류가 흐르게 되므로 본 발명의 아하로노브-봄 장치는 스위치로서 기능할 수 있게 된다. Referring again to FIG. 4, when the bias voltage ΔV is given by ΔV = 3E 0 / e, that is, when each closed loop circumferential length is manufactured at 200 nm, a voltage corresponding to ΔV = 3E 0 /e=28.2mV is applied. As a result, reducing the frequency from 8 GHz to 4 GHz increases the current by approximately 20 times from 2.9 pA (picoamps) to 58 pA. This current value can be obtained by drawing a vertical line at Δμ = 3E 0 (ie, ΔV = 3E 0 / e) in FIG. 4A, reading the current value and using the units given above for those values. Therefore, when fs = 0.5, when a dynamic magnetic field of 4 GHz is applied when there is no dynamic magnetic field and a current is 0, a current of 58 pA flows, so that the Aharonov-spring device of the present invention can function as a switch.

도 5는 본 발명의 아하로노브-봄 장치를 이용한 동적 자속의 진폭 변화에 의한 전류 증폭을 보여주는 전류(I)-전압(V) 특성 곡선을 도시한다. 구체적으로, 페르미 에너지가 9.2E0이고, fs=0.5이며, 주파수가 ν=3.48E0/h일 때, fd=0.05, 0.1, 0.2인 경우로, 진폭 fd가 증가함에 따라 전류 증폭이 증가하는 것을 보여주고 있다. 구체적인 예시로, 진폭 fd를 fd=0.05에서 fd=0.2로 증가시키는 경우, 전류가 대략 10배 증가함을 알 수 있다.FIG. 5 shows a current (I) -voltage (V) characteristic curve showing current amplification by varying amplitude of dynamic magnetic flux using the Aharonov-Spring device of the present invention. Specifically, when the Fermi energy is 9.2E 0 , fs = 0.5, and the frequency is ν = 3.48E 0 / h, fd = 0.05, 0.1, 0.2, the current amplification increases as the amplitude fd increases. Is showing. As a specific example, it can be seen that when the amplitude fd is increased from fd = 0.05 to fd = 0.2, the current increases approximately 10 times.

아울러, 장치의 재료에 대한 페르미 에너지도 또한 실험 데이터로부터 결정될 수 있다. 페르미 에너지는 Δμ=0인 곳의 에너지 값이므로 실험 데이터에 직접 나타나는 것은 아니지만, 폐루프의 고유에너지 값 En을 전류-전압 특성 곡선에서 찾으면 페르미 에너지 값을 알 수 있다. 간단한 경우의 예로 바이어스 포텐셜 V1에서 처음 전류 점프가 발생했다면 페르미 에너지 EF는 EF = En + ħω-eV1으로 얻어진다. In addition, Fermi energy for the material of the device can also be determined from experimental data. Since Fermi energy is the energy value where Δμ = 0, it is not directly shown in the experimental data.However, the Fermi energy value can be obtained by finding the closed loop eigenenergy value En in the current-voltage characteristic curve. As a simple example, if the first current jump occurs at bias potential V 1 , the Fermi energy E F is obtained as E F = En + ħω-eV 1 .

상기 기술한 본 발명의 아하로노브-봄 장치는 약한 동적 자기장 주파수의 측정은 물론 동적 자기장의 주파수 또는 진폭의 변화를 통해 전류를 증폭시키는 새로운 개념의 트랜지스터로도 사용될 수 있다. 구체적으로, 초전도 장치가 사용될 수 없는 강한 정적 자기장이 존재하는 의료용 기기인 MRI나 NMR에서 발생하는 약한 동적 자기장의 주파수를 측정하는데 사용할 수 있고, 주파수 변화를 통한 전류 증폭기는 원격 스위치, 통신 수신기나 원격 자기장 센서 등 다양한 응용이 가능하다. The Aharonov-Spring device of the present invention described above can be used as a new concept transistor that amplifies the current through a change in the frequency or amplitude of the dynamic magnetic field as well as the measurement of the weak dynamic magnetic field frequency. Specifically, it can be used to measure the frequency of weak dynamic magnetic fields generated by MRI or NMR, which is a medical device with a strong static magnetic field where superconducting devices cannot be used. Various applications such as magnetic field sensors are possible.                     

또한, 본 발명의 아하로노브-봄 장치를 사용하면, 전류-전압 특성 곡선에서 전류 점프가 발생하는 바이어스 전압으로부터 얻어지는 측정 페르미 에너지 값을 이용하여 전자 밀도를 알아낼 수 있다.In addition, using the aharonov-spring device of the present invention, the electron density can be determined using the measured Fermi energy value obtained from the bias voltage at which the current jump occurs in the current-voltage characteristic curve.

상기 본 발명의 실시 예는 단지 예시적인 것으로 기술되었으며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 범위는 이하에 첨부되는 특허청구범위에 의해서만 제한된다.
The above embodiments of the present invention have been described as exemplary only, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is intended that the scope of the invention only be limited by the appended claims.

Claims (21)

아하로노브-봄 장치에 있어서,In the Aharonov-spring device, 반도체 기판 상의 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프, A first closed loop and a second closed loop on the semiconductor substrate, 상기 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프를 연결하는 리드선, A lead wire connecting the first closed loop and the second closed loop, 상기 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프를 연결하는 리드선과 대향 방향으로 연장되는 리드선, 및A lead wire extending in a direction opposite to a lead wire connecting the first closed loop and the second closed loop, and 상기 제 1 폐루프 및 상기 제 2 폐루프 사이에 인가되는 바이어스 전압(Δμ) A bias voltage Δμ applied between the first closed loop and the second closed loop 을 포함하고, Including, 상기 제 1 및 제 2 폐루프 내에 각각 시간에 따라 변하는 제 1 및 제 2 자속을 제공하여, 전류-전압 특성 곡선에서 전류의 계단(step)이 발생하는 Providing first and second magnetic fluxes varying with time in the first and second closed loops, respectively, such that a step of current occurs in the current-voltage characteristic curve. 아하로노브-봄 장치.Aharonov-spring device. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 자속 및 상기 제 2 자속은 각각 The method of claim 1, wherein the first magnetic flux and the second magnetic flux are respectively f(t)=fs+fd cosωt, f(t)=fs+fd cos(ωt+φ) f (t) = fs + fd cosωt, f (t) = fs + fd cos (ωt + φ ) 로 표시되고, 상기 식에서 fs는 정적 자속이고, fd는 동적 자속이며, ω 및 φ는 각각 각주파수 및 위상차이고, f(t)=Φ(t)/Φ0로 주어지되, Φ0는 자속 양자 단위인 Φ0=h/e로 표시되는 아하로노브-봄 장치.Where fs is a static magnetic flux, fd is a dynamic magnetic flux, ω and φ are the angular frequency and the phase difference, respectively, and are given by f (t) = Φ (t) / Φ 0 , where Φ 0 is the magnetic flux quantum Aharonov-spring device expressed in units of Φ 0 = h / e . 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자속은 각각 상기 제 1 폐루프 및 제 2 폐루프에 수직 방향으로 제공되는 아하로노브-봄 장치.3. The aharonov-spring device of claim 2 wherein the first and second magnetic fluxes are provided in a direction perpendicular to the first closed loop and the second closed loop, respectively. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상차가 0인 아하로노브-봄 장치.The aharonov-spring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the phase difference is zero. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상차가 π/2인 아하로노브-봄 장치.The aharonov-spring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the phase difference is π / 2. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 폐루프 및 상기 제 2 폐루프는 원형 형상인 아하로노브-봄 장치.4. The apparatus of any one of claims 1 to 3, wherein the first closed loop and the second closed loop are circular in shape. 제 4항에 있어서, 상기 제 1 폐루프 및 상기 제 2 폐루프는 원형 형상인 아하로노브-봄 장치.5. The apparatus of claim 4, wherein the first closed loop and the second closed loop are circular in shape. 제 5항에 있어서, 상기 제 1 폐루프 및 상기 제 2 폐루프는 원형 형상인 아하로노브-봄 장치.6. The apparatus of claim 5, wherein the first closed loop and the second closed loop are circular in shape. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 계단은 한 쌍의 전 압 간격이 △V=2hν/e를 만족하는 위치에서 발생하는 아하로노브-봄 장치. 4. The aharonov-spring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the current step occurs at a position where a pair of voltage intervals satisfy DELTA V = 2h v / e. 제 4항에 있어서, 상기 전류 계단은 한 쌍의 전압 간격이 △V=2hν/e를 만족하는 위치에서 발생하는 아하로노브-봄 장치. 5. The apparatus of claim 4, wherein the current step occurs at a position where a pair of voltage intervals satisfy DELTA V = 2h v / e. 제 5항에 있어서, 상기 전류 계단은 한 쌍의 전압 간격이 △V=2hν/e를 만족하는 위치에서 발생하는 아하로노브-봄 장치. 6. The aharonov-spring device of claim 5 wherein the current step occurs at a location where a pair of voltage intervals satisfy DELTA V = 2h v / e. 제 6항에 있어서, 상기 전류 계단은 한 쌍의 전압 간격이 △V=2hν/e를 만족하는 위치에서 발생하는 아하로노브-봄 장치. 7. The aharonov-spring device of claim 6, wherein the current step occurs at a position where a pair of voltage intervals satisfy DELTA V = 2h v / e. 제 7항에 있어서, 상기 전류 계단은 한 쌍의 전압 간격이 △V=2hν/e를 만족하는 위치에서 발생하는 아하로노브-봄 장치. 8. The apparatus of claim 7, wherein the current step occurs at a location where a pair of voltage intervals satisfy DELTA V = 2h v / e. 제 8항에 있어서, 상기 전류 계단은 한 쌍의 전압 간격이 △V=2hν/e를 만족하는 위치에서 발생하는 아하로노브-봄 장치. 10. The apparatus of claim 8, wherein the current step occurs at a position where a pair of voltage intervals satisfy DELTA V = 2h v / e. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 동적 자속의 주파수를 감소시키면 상기 전류가 증가하는 아하로노브-봄 장치. 4. An ahronov-spring device as set forth in claim 2 or 3, wherein decreasing the frequency of the dynamic magnetic flux increases the current. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 바이어스 전압 ΔV가 ΔV=3E0/e로 주어질 때, 상기 각각의 폐루프 둘레 길이를 200nm로 하고 ΔV=28.2mV에 해당하는 전압을 걸어 준 후, 상기 동적 자속의 주파수를 8GHz에서 4GHz로 줄이면 전류가 약 20배 증가하는 아하로노브-봄 장치.The method according to claim 2 or 3, wherein when the bias voltage ΔV is given by ΔV = 3E 0 / e, the respective closed loop circumferential length is set to 200 nm and a voltage corresponding to ΔV = 28.2 mV is applied. Aharonov-spring device in which the current increases approximately 20 times when the frequency of the dynamic magnetic flux is reduced from 8 GHz to 4 GHz. 제 16항에 있어서, 상기 아하로노브-봄 장치가 스위치로서 기능하는 아하로노브-봄 장치.17. The aharonov-spring device according to claim 16, wherein the aharonov-spring device functions as a switch. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 동적 자속의 진폭을 증가시키면 상기 전류가 증가하는 아하로노브-봄 장치.4. The apparatus of claim 2 or 3, wherein increasing the amplitude of the dynamic magnetic flux increases the current. 제 18항에 있어서, 상기 아하로노브-봄 장치가 전류 증폭 장치로서 기능하는 아하로노브-봄 장치.19. The Aharonov-Spring device according to claim 18, wherein the Aharonov-Spring device functions as a current amplifying device. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 바이어스 전압 ΔV가 ΔV=15E0/e로 주어질 때, 상기 동적 자속 fd의 진폭을 fd=0.05에서 fd=0.2로 증가시키면 전류가 약 10배 증가하는 아하로노브-봄 장치. The method according to claim 2 or 3, wherein when the bias voltage ΔV is given by ΔV = 15E 0 / e, increasing the amplitude of the dynamic magnetic flux fd from fd = 0.05 to fd = 0.2 increases the current approximately 10 times. Ronov-spring device. 제 20항에 있어서, 상기 아하로노브-봄 장치가 전류 증폭 장치로서 기능하는 아하로노브-봄 장치.The apparatus of claim 20, wherein the aharonov-spring device functions as a current amplifying device.
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