RU177295U1 - FLACKSON RING DETECTOR - Google Patents

FLACKSON RING DETECTOR Download PDF

Info

Publication number
RU177295U1
RU177295U1 RU2017131889U RU2017131889U RU177295U1 RU 177295 U1 RU177295 U1 RU 177295U1 RU 2017131889 U RU2017131889 U RU 2017131889U RU 2017131889 U RU2017131889 U RU 2017131889U RU 177295 U1 RU177295 U1 RU 177295U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
superconducting
quantum
detector
ring
insulator layer
Prior art date
Application number
RU2017131889U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Викторович Кленов
Игорь Игоревич Соловьев
Максим Валерьевич Терешонок
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА)
Priority to RU2017131889U priority Critical patent/RU177295U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU177295U1 publication Critical patent/RU177295U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/10Junction-based devices
    • H10N60/12Josephson-effect devices

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к криогенной электронике и может быть использована в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах (в том числе и квантовых) для измерения слабых магнитных потоков (менее 0,1 кванта магнитного потока) при относительно слабом обратном влиянии на объект исследования. Более конкретно, предложен флаксонный кольцевой детектор, включающий два источника постоянного тока для системы задания рабочей точки, два генератора флаксонов, две системы детектирования микроволнового излучения, две джозефсоновские передающие линии в виде кольцевых контактов, соединенные сверхпроводящей перемычкой, связанной магнитным образом с объектом исследования. Полезная модель обеспечивает возможность определения и абсолютной величины, и направления эффективного магнитного момента исследуемой квантовой системы и дополнительно обеспечивает уменьшение обратного влияния детектора на объект исследований, что особенно важно для применения в устройствах обработки квантовой информации. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.The utility model relates to cryogenic electronics and can be used in measurement technology, radio engineering and information systems (including quantum) to measure weak magnetic fluxes (less than 0.1 quantum of magnetic flux) with a relatively weak inverse effect on the object of study. More specifically, a flaxon ring detector is proposed that includes two DC sources for the operating point setting system, two phaxon generators, two microwave radiation detection systems, two Josephson transmit lines in the form of ring contacts connected by a superconducting jumper magnetically coupled to the object under study. The utility model provides the ability to determine both the absolute value and the direction of the effective magnetic moment of the investigated quantum system and additionally reduces the inverse effect of the detector on the object of research, which is especially important for use in quantum information processing devices. 6 c.p. f-ly, 5 ill.

Description

Полезная модель относится к криогенной электронике и может быть использована в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах (в том числе и квантовых) для измерения слабых магнитных потоков (менее 0,1 кванта магнитного потока) при относительно слабом обратном влиянии на объект исследования.The utility model relates to cryogenic electronics and can be used in measurement technology, radio engineering and information systems (including quantum) to measure weak magnetic fluxes (less than 0.1 quantum of magnetic flux) with a relatively weak inverse effect on the object of study.

Для детектирования слабых магнитных полей активно используются устройства на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД, от английского SQUID - Superconducting Quantum Interference Device), которые имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, а также совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами в комплексе приема и обработки сигнала. Такой СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта, причем набег фазы сверхпроводящего параметра порядка по контуру связан с полным магнитным потоком через упомянутое кольцо. В зависимости от предполагаемых применений СКВИД включает различные согласующие и измерительные устройства.To detect weak magnetic fields, devices based on superconducting quantum interferometers (SQUID, from the English SQUID - Superconducting Quantum Interference Device) are actively used, which have high sensitivity and low noise temperature, as well as are compatible with other superconducting devices in the signal reception and processing complex. Such a SQUID is a superconducting ring containing one or two Josephson junctions, and the phase incursion of the superconducting order parameter along the contour is associated with the total magnetic flux through the ring. Depending on the intended applications, SQUID includes various matching and measuring devices.

Развитие современных технологий поставило задачу по созданию на основе СКВИД-структур детекторов, способных фиксировать магнитные поля от наноразмерных объектов (например, сверхпроводящих потоковых кубитов) и крупных молекул.The development of modern technologies has set the task of creating detectors based on SQUID structures that can capture magnetic fields from nanoscale objects (for example, superconducting flux qubits) and large molecules.

Из анализа уровня техники известен метод считывания состояния потоковых квантовых битов - искусственных мезоскопических атомов, для которых характерные частоты переходов между стационарными состояниями лежат в гигагерцовом диапазоне - при помощи двухконтактного сверхпроводящего квантового интерферометра и системы преобразования магнитного потока [заявка на патент WO 2012064974 А2, опубл. 18.05.2012].From the analysis of the prior art, a method is known for reading the state of fluxed quantum bits - artificial mesoscopic atoms, for which the characteristic transition frequencies between stationary states lie in the gigahertz range - using a two-contact superconducting quantum interferometer and magnetic flux conversion system [patent application WO 2012064974 A2, publ. 05/18/2012].

Из анализа уровня техники также известен прибор для измерения характеристик магнитного поля (нано-магнитометр) на основе СКВИДа с двумя сверхпроводящими кольцами [патент US 7863892 В2, опубл. 04.01.2011], что обеспечивает увеличение чувствительности при работе с объектами исследования малых размеров.From the analysis of the prior art there is also known a device for measuring the characteristics of a magnetic field (nano-magnetometer) based on SQUID with two superconducting rings [patent US 7863892 B2, publ. January 4, 2011], which provides an increase in sensitivity when working with objects of research of small sizes.

Также описан метод создания СКВИДа с характерным размером ключевых элементов порядка 100 нм [заявка на патент US 20100097056 А1, опубл. 22.04.2010].Also described is a method of creating SQUID with a characteristic size of key elements of the order of 100 nm [patent application US 20100097056 A1, publ. 04/22/2010].

Недостатками вышеописанных систем является их сильное обратное влияние на объект исследования и невозможность реализации «быстрых» и неразрушающих измерений состояний квантовых объектов.The disadvantages of the above systems are their strong inverse effect on the object of study and the inability to implement “fast” and non-destructive measurements of the states of quantum objects.

Принципы согласования входных и выходных цепей усилителя-преобразователя на основе СКВИДа с нагрузкой подробно исследованы для диапазона до 0,1 ГГЦ [патент JP 61115536 А, опубл. 03.06.1986].The principles of matching the input and output circuits of an SQUID-based amplifier-converter with a load have been studied in detail for a range of up to 0.1 GHz [JP patent 61115536 A, publ. 06/03/1986].

В документе [патент JPH 01245605 А, опубл. 29.09.1989] описан усилитель-преобразователь магнитного сигнала на СКВИДе постоянного тока, в котором для электрической подстройки согласования интерферометра с охлаждаемым предусилителем используется второй СКВИД как регулируемый индуктивный элемент согласующей цепи.In the document [JPH patent 01245605 A, publ. 09/29/1989] describes an amplifier-converter of a magnetic signal in direct current SQUID, in which a second SQUID is used as an adjustable inductive element of the matching circuit to electrically adjust the coordination of the interferometer with a cooled preamplifier.

В другом устройстве на низкотемпературном (рабочая температура 4,2 К) СКВИДе реализован магниторезистивный принцип усиления, обеспечивающий измерение малых токов, напряжений или магнитных полей без систем обратной связи и шумоподавления, но в описании отсутствуют указания на возможность использования в интересующем диапазоне частот и амплитуд измеряемых сигналов [патент DE 4003060 А1, опубл. 08.08.1991].In another device on a low-temperature (operating temperature 4.2 K) SQUID, the magnetoresistive amplification principle is implemented, which provides the measurement of low currents, voltages, or magnetic fields without feedback and noise reduction systems, but the description does not indicate the possibility of using the measured frequencies and amplitudes in the range of interest signals [patent DE 4003060 A1, publ. 08/08/1991].

Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования магнитного сигнала в напряжение (крайне необходимая в ситуациях, когда необходимо выделять интересующий нас слабый сигнал на фоне сильного «шума») для устройств на одиночном низкотемпературном СКВИДе недостаточны для современных высокочастотных приложений. Также существующий уровень диссипации энергии и обратного влияния на исследуемый объект в процессе функционирования делают невозможным использование таких устройств в системах считывания в квантовых устройствах обработки информации.However, both the operating frequency range and the linearity of the conversion of the magnetic signal into voltage (which is extremely necessary in situations where it is necessary to isolate the weak signal of interest to us against the background of strong “noise”) for devices based on a single low-temperature SQUID are insufficient for modern high-frequency applications. Also, the existing level of energy dissipation and reverse influence on the object under study during operation makes it impossible to use such devices in reading systems in quantum information processing devices.

В уровне техники [патент US 7095227 В2, опубл. 22.08.2006] также описан усилитель на последовательной цепочке СКВИДов, позволяющий использовать в качестве источника питания источник постоянного тока и занимающий малую площадь. Подобные усилители могут использоваться, например, в чувствительных системах для парамагнитно-резонансной томографии [патент US 8179135 В2, опубл. 15.05.2012], а также в качестве входного блока сверхпроводниковых аналого-цифровых преобразователей [патент US 7928875 В2, опубл. 19.04.2011].In the prior art [patent US 7095227 B2, publ. 08/22/2006] also described an amplifier on a sequential chain of SQUIDs that allows you to use a DC source as a power source and occupying a small area. Such amplifiers can be used, for example, in sensitive systems for paramagnetic resonance imaging [patent US 8179135 B2, publ. 05/15/2012], and also as an input unit of superconducting analog-to-digital converters [patent US 7928875 B2, publ. 04/19/2011].

Однако такое устройство усилителя позволяет достичь лишь относительно малую линейность усиления сигнала.However, such an amplifier device allows only a relatively small linear gain of the signal to be achieved.

Для увеличения линейности вольт-потокового преобразования систем на основе СКВИДов в документе [патент US 7453263 В2, опубл. 18.11.2008] предложена специальная схема обратной связи, содержащая дополнительный джозефсоновский контакт, однако предложенный метод улучшения усилителя на основе СКВИДа существенно ограничивает максимальную рабочую частоту и, соответственно, портит временное разрешение для использующего этот принцип детектора.To increase the linearity of the volt-stream conversion of systems based on SQUIDs in the document [patent US 7453263 B2, publ. November 18, 2008] a special feedback scheme was proposed that contains an additional Josephson contact, however, the proposed method for improving the amplifier based on SQUID significantly limits the maximum operating frequency and, accordingly, spoils the time resolution for a detector using this principle.

Возможно также использование СКВИДа в качестве перестраиваемого элемента колебательного контура параметрического усилителя [заявка на патент JP 2009225213 А, опубл. 01.10.2009].You can also use SQUID as a tunable element of the oscillatory circuit of a parametric amplifier [patent application JP 2009225213 A, publ. 10/01/2009].

Однако характерная рабочая частота такого усилителя будет определяться параметрами колебательного контура, т.е. будет заметно меньше 1 ГГц. Также необходимо отметить такой недостаток, как невозможность реализации на основе такого принципа «краткодействующих» минимально-возмущающих измерений магнитного момента квантовых систем, представляющих на сегодняшний день серьезный практический интерес.However, the characteristic operating frequency of such an amplifier will be determined by the parameters of the oscillatory circuit, i.e. will be noticeably less than 1 GHz. It is also necessary to note such a drawback as the impossibility of implementing, on the basis of such a principle, "short-range" minimally disturbing measurements of the magnetic moment of quantum systems, which are of serious practical interest today.

Из анализа уровня техники также известны предложения по использованию усилителей-драйверов для гигагерцового диапазона (до десятков ГГц) на основе цепочек СКВИДов, разделенных на изолированные от земли пары, для уменьшения паразитных емкостей в системе [патент US 6486756 В2, опубл. 26.11.2002].From the analysis of the prior art, proposals are also known for the use of driver amplifiers for the gigahertz range (up to tens of GHz) based on chains of SQUIDs, divided into pairs isolated from the earth, to reduce stray capacitances in the system [patent US 6486756 B2, publ. 11/26/2002].

Однако такие усилители пригодны лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала.However, such amplifiers are only suitable for digital applications and cannot be used to amplify an analog signal.

Также полезным для дальнейшего изложения является усилитель сигналов быстрой одноквантовой (БОК) логики, преобразующий их на выходе в импульсы напряжения достаточной для использования полупроводниковой электроникой величины, в основе функционирования которого лежит техническое решение [патент US 6917216, опубл. 11.04.2003], работающее на разделении и переотражении выходного БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения.Also useful for further discussion is the signal amplifier of fast single-quantum (BOC) logic, converting them at the output into voltage pulses of sufficient magnitude for use by semiconductor electronics, the operation of which is based on a technical solution [US patent 6917216, publ. 04/11/2003], working on the separation and re-reflection of the output BOC-pulse to obtain sufficient values of the output voltage pulses.

Однако это предложение опять же рассчитано исключительно на применения в цифровых устройствах и требует для использования в детекторах сверхслабых сигналов сопряжения с качественным аналоговым «приемным устройством».However, this proposal is again designed exclusively for use in digital devices and requires ultra-weak signal pairing with a high-quality analog “receiving device” for use in detectors.

В документе [заявка на патент WO 2012123642, опубл. 20.09.2012] описан низкошумящий усилитель с чувствительностью, близкой к квантовому пределу. В основу принципа работы этого усилителя положено использование одного джозефсоновского контакта, шунтированного за счет параллельно соединенного с ним реактивного импеданса.In the document [patent application WO 2012123642, publ. September 20, 2012] a low-noise amplifier with a sensitivity close to the quantum limit is described. The principle of operation of this amplifier is based on the use of a single Josephson contact, shunted due to the reactive impedance connected in parallel with it.

Недостатком такого подхода является слабое усиление, невысокая линейность, низкая температура насыщения получившегося усилителя, который, к тому же крайне сложно сделать достаточно миниатюрным.The disadvantage of this approach is the weak gain, low linearity, low saturation temperature of the resulting amplifier, which is also extremely difficult to make quite miniature.

Следует обратить внимание на публикации, посвященные изложению теоретических подходов к описанию принципов функционирования джозефсоновских баллистических детекторов, применимых в том числе и в квантовых системах обработки информации. В частности, описано экспериментальное измерение поворота примерно 1000 электронных спинов при помощи СКВИДа с размером сверхпроводящей петли менее 1 мкм [Jamet М. et al. Magnetic Anisotropy of a Single Cobalt Nanocluster / Physical Review Letters, 2001, V. 86, N. 20, pp. 4676-4679].Attention should be paid to publications devoted to the presentation of theoretical approaches to the description of the principles of operation of Josephson ballistic detectors, which are also applicable in quantum information processing systems. In particular, an experimental measurement of the rotation of approximately 1000 electron spins using SQUID with a superconducting loop size of less than 1 μm has been described [Jamet M. et al. Magnetic Anisotropy of a Single Cobalt Nanocluster / Physical Review Letters, 2001, V. 86, N. 20, pp. 4676-4679].

Схема баллистического детектора, предложенного в работах ряда авторов [Averin D. V. et al. Rapid ballistic readout for flux qubits / Physical Review B, 2006, V. 73, pp. 094504-1÷094504-12; Herr A. et al. Design of a ballistic fluxon qubit readout / Superconductor Science and Technology, 2007, V. 20, pp. S450-S454], схожа с оптическим интерферометром, одно плечо которого слабо взаимодействует с измеряемым объектом (например, квантовой системой). «Плечами» интерферометра являются две джозефсоновские передающие линии (ДПЛ), которые представляют собой распределенные джозефсоновские контакты, по каждому из которых распространяется солитоноподобная волна токов и напряжений (флаксон). Взаимодействие с измеряемым объектом приводит к ускорению или замедлению флаксона в одной из ДПЛ. Таким образом, информация о состоянии квантовой системы переводится во временную задержку между выходами флаксонов из ДПЛ детектора, которая затем считывается.The scheme of a ballistic detector proposed in the works of a number of authors [Averin D. V. et al. Rapid ballistic readout for flux qubits / Physical Review B, 2006, V. 73, pp. 094504-1 ÷ 094504-12; Herr A. et al. Design of a ballistic fluxon qubit readout / Superconductor Science and Technology, 2007, V. 20, pp. S450-S454], similar to an optical interferometer, one arm of which weakly interacts with the measured object (for example, a quantum system). The “shoulders” of the interferometer are two Josephson transmission lines (DPL), which are distributed Josephson junctions, each of which propagates a soliton-like wave of currents and voltages (phaxon). Interaction with the measured object leads to the acceleration or deceleration of the vial in one of the DPL. Thus, information about the state of the quantum system is translated into a time delay between the outputs of the phials from the DPL of the detector, which is then read.

Недостатком такой схемы баллистического детектора с точки зрения максимизации соотношения сигнал-шум является использование дополнительной референсной линии, приводящее к увеличению внутренних шумов детектора. Также к недостаткам можно отнести противоположное влияние полюсов токового диполя на флаксон. Это взаимообратное влияние приводит к существенному уменьшению сигнала. В качестве модификации схемы можно предложить эффективное расщепление диполя на монополи, для реализации которого ДПЛ проводится от генератора одноквантовых импульсов к середине диполя и разветвляется на две ветви, каждая из которых продолжается в сторону одного из монополей. В этом случае изначальный одноквантовый импульс генерирует два импульса в точке ветвления по одному в каждую ветвь. Образовавшиеся синхронно импульсы взаимодействуют каждый с одним из монополей, ускоряясь или замедляясь в соответствии с его направлением, после чего взаимная временная задержка детектируется на схеме сравнения.The disadvantage of such a ballistic detector circuit from the point of view of maximizing the signal-to-noise ratio is the use of an additional reference line, which leads to an increase in the internal noise of the detector. The disadvantages include the opposite effect of the poles of the current dipole on the flaxon. This reciprocal effect leads to a significant decrease in the signal. As a modification of the scheme, one can propose an effective splitting of the dipole into monopoles, for the implementation of which the DPL is carried out from the generator of single-quantum pulses to the middle of the dipole and branches into two branches, each of which continues towards one of the monopoles. In this case, the initial single-quantum pulse generates two pulses at the branch point, one in each branch. Pulses formed synchronously each interact with one of the monopoles, accelerating or decelerating in accordance with its direction, after which the mutual time delay is detected in the comparison circuit.

В экспериментах [Fedorov K.G. et al. Josephson vortex coupled to a flux qubit / Applied Physics Letters, 2013, V. 102, pp. 132602-1÷132602-4; Fedorov KG. et al. Fluxon Readout of a Superconducting Qubit / Physical Review Letters, 2014, V. 112, pp. 160502-1÷160502-5] использовалась одиночная кольцевая ДПЛ и измерялось отклонение циклической частоты вращения флаксона.In the experiments [Fedorov K.G. et al. Josephson vortex coupled to a flux qubit / Applied Physics Letters, 2013, V. 102, pp. 132602-1 ÷ 132602-4; Fedorov KG. et al. Fluxon Readout of a Superconducting Qubit / Physical Review Letters, 2014, V. 112, pp. 160502-1 ÷ 160502-5] used a single annular DPL and measured the deviation of the cyclic frequency of rotation of the vial.

К недостаткам этого подхода необходимо отнести отсутствие зависимости отклонения частоты детектора от знака измеряемого поля (полярности индуцированного токового диполя), что приводит к невозможности различения квантовых состояний объекта исследований.The disadvantages of this approach include the lack of dependence of the deviation of the detector frequency from the sign of the measured field (polarity of the induced current dipole), which makes it impossible to distinguish the quantum states of the object under study.

Заявляемое изобретение лишено указанного недостатка и позволяет реализовать измерение сверхслабых сигналов за счет воздействия магнитного поля от объекта исследования на динамику флаксонов одновременно в двух джозефсоновских кольцевых ДПЛ.The claimed invention is devoid of this drawback and allows for the measurement of super-weak signals due to the influence of a magnetic field from the object of study on the dynamics of phaxons simultaneously in two Josephson ring DPLs.

Технический результат настоящего изобретения заключается в возможности определения и абсолютной величины, и направления эффективного магнитного момента исследуемой квантовой системы. Дополнительный технический результат состоит в уменьшении обратного влияния детектора на объект исследований, что особенно важно для применения в устройствах обработки квантовой информации.The technical result of the present invention lies in the possibility of determining both the absolute value and direction of the effective magnetic moment of the investigated quantum system. An additional technical result is to reduce the inverse effect of the detector on the object of research, which is especially important for use in quantum information processing devices.

Указанный технический результат достигается флаксонным кольцевым детектором, который включает два источника постоянного тока для системы задания рабочей точки, два генератора флаксонов, две системы детектирования микроволнового излучения, две джозефсоновские передающие линии в виде кольцевых контактов, соединенные сверхпроводящей перемычкой, связанной магнитным образом с объектом исследования.The indicated technical result is achieved by a flaxon ring detector, which includes two direct current sources for the operating point setting system, two flaxon generators, two microwave radiation detection systems, two Josephson transmit lines in the form of ring contacts, connected by a superconducting jumper magnetically connected to the object under study.

Устройство является сверхпроводящим квантовым интерферометром, у которого вместо сосредоточенных джозефсоновских контактов используются кольцевые ДПЛ. В каждое кольцо симметрично задаются флаксоны, причем для минимизации обратного влияния флаксоны вращаются в противоположных направлениях. Откликом на сверхслабое магнитное поле от объекта исследований будет отклонение частоты вращения флаксонов (одинаковой в обоих кольцах - частота выравнивается за счет сверхпроводящей связи колец) от изначальной и сдвиг фазы колебаний.The device is a superconducting quantum interferometer, in which ring DPLs are used instead of concentrated Josephson junctions. In each ring, the phaxons are symmetrically defined, and to minimize the inverse effect, the phaxons rotate in opposite directions. The response to an ultra-weak magnetic field from the object of research will be the deviation of the rotation frequency of the fluxons (the same in both rings - the frequency is equalized due to the superconducting coupling of the rings) from the original and the phase shift of the oscillations.

В одном из предпочтительных вариантов детектор характеризуется тем, что джозефсоновские передающие линии выполнены каждая в виде образующей кольцо слоистой тонкопленочной структуры, содержащей: нанесенный на подложку нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.In one of the preferred embodiments, the detector is characterized in that the Josephson transmission lines are each made in the form of a ring-forming thin-film structure, comprising: a lower superconducting electrode deposited on a substrate, an insulator layer deposited on a lower superconducting electrode, an upper superconducting electrode with current leads, deposited on an insulator layer .

В одном из предпочтительных вариантов детектор характеризуется тем, что джозефсоновская передающая линия выполнена каждая в виде замкнутой в кольцо цепочки из слоистых тонкопленочных структур, связанных сверхпроводящими соединительными линиями, при этом тонкопленочная структура содержит нанесенный на подложку нижний сверхпроводящий электрод, слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами.In one of the preferred embodiments, the detector is characterized in that the Josephson transmission line is each made in the form of a loop closed in a ring of layered thin-film structures connected by superconducting connecting lines, the thin-film structure comprising a lower superconducting electrode deposited on a substrate, an insulator layer, and an upper superconducting electrode with current leads.

Детектор может характеризоваться еще и тем, что в качестве материала сверхпроводящей перемычки, нижнего и верхнего сверхпроводящего электрода, сверхпроводящих соединительных линий использован ниобий, алюминий или сплав на основе этих металлов.The detector can also be characterized by the fact that niobium, aluminum or an alloy based on these metals are used as the material of the superconducting jumper, the lower and upper superconducting electrodes, and superconducting connecting lines.

Детектор может характеризоваться еще и тем, что в качестве материала слоя изолятора использован оксид алюминия Al2O3.The detector can also be characterized in that alumina Al 2 O 3 is used as the material of the insulator layer.

Детектор также может характеризоваться тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет 50-500 нм.The detector may also be characterized in that the thickness of the lower superconducting electrode and the upper superconducting electrode is 50-500 nm.

Кроме того, предлагаемый детектор может характеризоваться еще и тем, что толщина слоя изолятора составляет 1-20 нм.In addition, the proposed detector can also be characterized by the fact that the thickness of the insulator layer is 1-20 nm.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема детектора на основе одной кольцевой джозефсоновской передающей линии (вид сверху).In FIG. 1 is a schematic diagram of a detector based on one ring Josephson transmission line (top view).

На фиг. 2 изображена принципиальная схема детектора на основе двух джозефсоновских кольцевых передающей линии (вид сверху), связанных с объектом исследований предложенным симметричным образом через сверхпроводящую перемычку; также здесь представлена схема поперечного сечения частей длинных (размер больше джозефсоновской длины проникновения магнитного поля λj) джозефсоновских контактов, используемого в качестве ДПЛ, причем S здесь обозначает сверхпроводник, I - изолятор, черные стрелки показывают направление течения тока, индуцированного магнитным полем объекта исследования, красные стрелки - направления распространения флаксонов.In FIG. 2 is a schematic diagram of a detector based on two Josephson annular transmission lines (top view) connected to an object of research proposed symmetrically through a superconducting jumper; there is also presented a cross-sectional diagram of parts of long (larger than the Josephson magnetic field penetration length λ j ) Josephson junctions used as a DPS, where S is a superconductor, I is an insulator, black arrows indicate the direction of the current flow induced by the magnetic field of the object under study, red arrows - directions of distribution of phaxons.

На фиг. 3 приведено рассчитанное отклонение частоты вращения флаксонов в ДПЛ детектора как отклик на сверхслабое магнитное поле для диапазона тока задания рабочей точки j/jс=0.02…0.5; безразмерного параметра демпфирования кольцевых контактов α=0.2; безразмерной индуктивности приемной петли

Figure 00000001
; длина каждой ДПЛ равна L=10 λJ.In FIG. Figure 3 shows the calculated deviation of the rotational speed of the phaxons in the detector DPL as a response to an ultra-weak magnetic field for the current range of the operating point setting j / j c = 0.02 ... 0.5; dimensionless damping parameter of ring contacts α = 0.2; dimensionless inductance of the receiving loop
Figure 00000001
; the length of each DPL is L = 10 λ J.

На фиг. 4 представлен размах частотного отклика детектора при изменении приложенного магнитного потока от нуля до половины кванта для диапазона тока питания j/jc=0.02…0.5 и диапазона нормированной индуктивности

Figure 00000002
; безразмерного параметра демпфирования кольцевых контактов а=0.2; длина каждой ДПЛ равна L=7λJ.In FIG. Figure 4 shows the amplitude of the frequency response of the detector when the applied magnetic flux changes from zero to half a quantum for the range of the supply current j / j c = 0.02 ... 0.5 and the range of normalized inductance
Figure 00000002
; dimensionless damping parameter of ring contacts a = 0.2; the length of each DPL is L = 7λ J.

На фиг. 5 приведено рассчитанное отклонение частоты вращения флаксонов для диапазона длины кольцевых ДПЛ L/λj=2…10; безразмерного параметра демпфирования кольцевых контактов а=0.2; тока задания рабочей точки j/jc=0.2 и безразмерной индуктивности приемной петли

Figure 00000001
.In FIG. 5 shows the calculated deviation of the rotational speed of the phaxons for the range of the length of annular DPLs L / λ j = 2 ... 10; dimensionless damping parameter of ring contacts a = 0.2; current for setting the operating point j / j c = 0.2 and dimensionless inductance of the receiving loop
Figure 00000001
.

Позициями на чертежах (фигурах) обозначены: 1 - источники тока для системы задания рабочей точки и генерации флаксонов; 2 и 3 - джозефсоновские передающие линии; 4 - объект исследования; 5 - сверхпроводящая перемычка; 6 - область пространства, в которой локализованы поля, реализующие магнитную связь, между объектом исследования и сверхпроводящей перемычкой детектора; 7 - системы детектирования микроволнового излучения, 8 - нижний сверхпроводящий электрод; 9 - слой изолятора; 10 - верхний сверхпроводящий электрод.The positions in the drawings (figures) indicate: 1 - current sources for the system of setting the operating point and generation of phials; 2 and 3 - Josephson transmission lines; 4 - object of study; 5 - superconducting jumper; 6 - a region of space in which fields realizing magnetic coupling are localized between the object of study and the superconducting jumper of the detector; 7 — microwave radiation detection systems; 8 — lower superconducting electrode; 9 - insulator layer; 10 - upper superconducting electrode.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Детектор (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит две джозефсоновских передающих линии (2 и 3), образующие два замкнутых пути, по которым вращаются с определенной частотой, определяемой системой задания рабочей точки (1), джозефсоновские вихри (флаксоны), порождающие таким образом микроволновое электромагнитное излучение, для детектирования которого служит устройство системы детектирования микроволнового излучения (7).The detector (see Fig. 1 and Fig. 2) contains two Josephson transmission lines (2 and 3), which form two closed paths along which they rotate at a certain frequency determined by the system for setting the operating point (1), Josephson vortices (flaxons), thus generating microwave electromagnetic radiation, for the detection of which the device of the microwave radiation detection system (7) is used.

Рассеяние каждого из флаксонов на токовом диполе, индуцированном магнитным полем объекта исследований (4), создает измеряемый сдвиг частоты детектируемого излучения. Измеренный сдвиг частоты дает информацию о состоянии объекта исследований. Эти измерения могут быть сделаны практически неразрушающими состояние квантовой системы, выступающей в качестве объекта исследований, если согласовать частоту измерений с собственной частотой объекта исследований (в случае использования детектора в квантовых системах обработки информации). Идея заявляемой симметризации схемы заключается в том, что оба флаксона рассеиваются на токовых неоднородностях и при этом каждый флаксон рассеивается только на одном полюсе диполя. Это может быть обеспечено путем присоединения петли связи к обеим джозефсоновским линиям детектора, как показано на фиг. 2.The scattering of each of the phaxons on the current dipole induced by the magnetic field of the object of study (4) creates a measurable frequency shift of the detected radiation. The measured frequency shift provides information on the state of the object of study. These measurements can be made practically non-destructive of the state of a quantum system acting as an object of research if the frequency of measurements is matched with the natural frequency of the object of research (if the detector is used in quantum information processing systems). The idea of the claimed symmetrization of the circuit is that both phaxons are scattered by current inhomogeneities, and each phaxon is scattered at only one pole of the dipole. This can be achieved by attaching a communication loop to both Josephson lines of the detector, as shown in FIG. 2.

Отличием такого детектора от обычного СКВИДа является отсутствие резистивных шунтов для используемых джозефсоновских контактов, и при этом на вольт-амперной характеристике устройства в целом отсутствует нежелательный гистерезис; исследования состояния квантового объекта удобно производить, измеряя частоту микроволнового излучения; есть оптимумы чувствительности детектора как функции тока задания рабочей точки, показанные на фиг. 3.The difference between such a detector and ordinary SQUID is the absence of resistive shunts for the Josephson contacts used, and at the same time, there is no undesirable hysteresis on the current-voltage characteristic of the device as a whole; studies of the state of a quantum object are conveniently carried out by measuring the frequency of microwave radiation; there are optima of the detector sensitivity as a function of the operating point reference current shown in FIG. 3.

На фиг. 3 показан частотный отклик Δω/ωр от попадающего в детектор магнитного потока Ф/Ф0, величина которого нормирована на величину кванта; Δω=ω-ω0, где ω0 - частота вращения при нулевом сигнале Ф=0. Значение параметра демпфирования α=0.2 типично для джозефсоновских контактов, изготовленных для баллистических детекторов.In FIG. Figure 3 shows the frequency response Δω / ω p from the magnetic flux Ф / Ф 0 entering the detector, the magnitude of which is normalized to the magnitude of the quantum; Δω = ω-ω 0 , where ω 0 is the rotation frequency at a zero signal Ф = 0. The value of the damping parameter α = 0.2 is typical of Josephson junctions made for ballistic detectors.

На фиг. 4 продемонстрировано, как с увеличением индуктивности размах отклика падает: размах отклика здесь определен как Δωmax=ω (при Ф=Ф0/2)-ω(при Ф=0). Длина колец для такого расчета была выбрана чуть меньше, чем в предыдущем случае в соответствии с оптимизацией, проведенной относительно этого параметра и представленной на фиг. 5. Видно, что оптимальная длина приблизительно совпадает с размером флаксона. Ток задания рабочей точки выбран в окрестности оптимума j/jc=0.2, где форма отклика заметно отлична от обычной для СКВИДа. Видно, что с уменьшением длины кольца форма к ней приближается. Сдвиг фаз колебаний флаксонов в кольцевых ДПЛ будет пропорционален приложенному к детектору потоку и также может использоваться для получения информации о состоянии объекта исследованийIn FIG. 4 demonstrates how to increase the inductance of the response magnitude falls: magnitude response is defined as Δω max = ω (when F = F 0/2) -ω (when F = 0). The ring length for this calculation was chosen slightly less than in the previous case in accordance with the optimization carried out with respect to this parameter and presented in FIG. 5. It is seen that the optimum length approximately coincides with the size of the fluxon. The current for setting the operating point was chosen in the vicinity of the optimum j / j c = 0.2, where the response form is noticeably different from the usual one for SQUID. It can be seen that with a decrease in the length of the ring, the form approaches it. The phase shift of the oscillations of the phaxons in the circular DPL will be proportional to the flow applied to the detector and can also be used to obtain information about the state of the object of study

Приведенные выше источники подтверждают обоснованность и актуальность подхода к реализации сверхпроводниковых детекторов. Технологическая применимость: для реализации заявляемого устройства, могут быть использованы материалы, применяемые в криоэлектронной технике и известные специалистам. В качестве подложки, на которой расположены все элементы детектора, могут быть использованы любые стандартные подложки (кремний, сапфир и пр.). В качестве материала для слоя изолятора - оксид алюминия. В качестве материала для сверхпроводящих электродов -ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец. Типичные толщины слоев для патентуемой топологии находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники. В качестве генератора одноквантовых импульсов можно использовать устройства быстрой одноквантовой логики [Likharev К. К. et al. RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1991, V. 50, N. 1, pp. 3-28], хорошо известные из уровня техники и позволяющие генерировать с нужной надежностью флаксоны. Также современные криогенные детекторы электромагнитного излучения позволяют фиксировать с нужной точностью частоту волны, генерируемой при круговом движении флаксонов по джозефсоновской передающей линии [Terai Н. et al. Low-jitter single flux quantum signal readout from superconducting single photon detector / Optics express, 2012, V. 20, N. 18, pp. 20115-20123].The above sources confirm the validity and relevance of the approach to the implementation of superconducting detectors. Technological applicability: for the implementation of the inventive device, materials used in cryoelectronic technology and known to specialists can be used. As a substrate, on which all the elements of the detector are located, any standard substrates (silicon, sapphire, etc.) can be used. As a material for the insulator layer - aluminum oxide. As a material for superconducting electrodes, niobium, niobium nitride, vanadium, indium, tin, lead. Typical layer thicknesses for the patented topology are in the range technologically feasible for thin-film electronics. As a generator of single-quantum pulses, devices of fast single-quantum logic can be used [K. Likharev K. et al. RSFQ logic / memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1991, V. 50, N. 1, pp. 3-28], well known from the prior art and allowing to generate phaxons with the necessary reliability. Also, modern cryogenic electromagnetic radiation detectors make it possible to fix with the necessary accuracy the frequency of the wave generated during the circular motion of the phaxons along the Josephson transmission line [Terai N. et al. Low-jitter single flux quantum signal readout from superconducting single photon detector / Optics express, 2012, V. 20, N. 18, pp. 20115-20123].

Claims (7)

1. Флаксонный кольцевой детектор, включающий два источника постоянного тока для системы задания рабочей точки, два генератора флаксонов, две системы детектирования микроволнового излучения, две джозефсоновские передающие линии в виде кольцевых контактов, соединенные сверхпроводящей перемычкой, связанной магнитным образом с объектом исследования.1. A flaxon ring detector, which includes two DC sources for the operating point setting system, two flaxon generators, two microwave radiation detection systems, two Josephson transmission lines in the form of ring contacts connected by a superconducting jumper magnetically connected to the object under study. 2. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что джозефсоновские передающие линии выполнены каждая в виде образующей кольцо слоистой тонкопленочной структуры, содержащей: нанесенный на подложку нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.2. The detector according to claim 1, characterized in that the Josephson transmission lines are each made in the form of a ring-forming thin-film structure, comprising: a lower superconducting electrode deposited on a substrate, an insulator layer deposited on a lower superconducting electrode, an upper superconducting electrode with current leads, deposited on insulator layer. 3. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что джозефсоновская передающая линия выполнена каждая в виде замкнутой в кольцо цепочки из слоистых тонкопленочных структур, связанных сверхпроводящими соединительными линиями, при этом тонкопленочная структура содержит нанесенный на подложку нижний сверхпроводящий электрод, слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами.3. The detector according to claim 1, characterized in that the Josephson transmission line is each made in the form of a loop closed in a ring of layered thin-film structures connected by superconducting connecting lines, while the thin-film structure contains a lower superconducting electrode deposited on a substrate, an insulator layer, an upper superconducting electrode with current leads. 4. Детектор по п. 2 или 3, характеризующийся тем, что в качестве материала сверхпроводящей перемычки, нижнего и верхнего сверхпроводящих электродов, сверхпроводящих соединительных линий использован ниобий, алюминий или сплав на основе этих металлов.4. The detector according to claim 2 or 3, characterized in that the material of the superconducting jumper, the lower and upper superconducting electrodes, superconducting connecting lines used niobium, aluminum or an alloy based on these metals. 5. Детектор по п. 2 или 3, характеризующийся тем, что в качестве материала слоя изолятора использован оксид алюминия Al2O3.5. The detector according to claim 2 or 3, characterized in that the aluminum oxide Al 2 O 3 is used as the material of the insulator layer. 6. Детектор по п. 2 или 3, характеризующийся тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет 50-500 нм.6. The detector according to claim 2 or 3, characterized in that the thickness of the lower superconducting electrode and the upper superconducting electrode is 50-500 nm. 7. Детектор по п. 2 или 3, характеризующийся тем, что толщина слоя изолятора составляет 1-20 нм.7. The detector according to claim 2 or 3, characterized in that the thickness of the insulator layer is 1-20 nm.
RU2017131889U 2017-09-12 2017-09-12 FLACKSON RING DETECTOR RU177295U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017131889U RU177295U1 (en) 2017-09-12 2017-09-12 FLACKSON RING DETECTOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017131889U RU177295U1 (en) 2017-09-12 2017-09-12 FLACKSON RING DETECTOR

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU177295U1 true RU177295U1 (en) 2018-02-15

Family

ID=61227319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017131889U RU177295U1 (en) 2017-09-12 2017-09-12 FLACKSON RING DETECTOR

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU177295U1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2780666C1 (en) * 2021-06-21 2022-09-28 Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант") Dual-electrode fast flow-tuned superconducting qubit based on kinetic inductance
US11737374B2 (en) 2019-01-18 2023-08-22 Microsoft Technology Licensing, Llc Fabrication of a device
US11937517B2 (en) 2018-08-13 2024-03-19 Oxford University Innovation Limited Superconducting quantum computing circuit package

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2072104C1 (en) * 1991-11-06 1997-01-20 Адольф Александрович Липовка Volumetric rf squid made of high-temperature superconducting ceramics
US6627915B1 (en) * 2000-08-11 2003-09-30 D-Wave Systems, Inc. Shaped Josephson junction qubits
RU2483392C1 (en) * 2011-12-14 2013-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions
RU2592735C1 (en) * 2015-03-02 2016-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Fluxon ballistic detector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2072104C1 (en) * 1991-11-06 1997-01-20 Адольф Александрович Липовка Volumetric rf squid made of high-temperature superconducting ceramics
US6627915B1 (en) * 2000-08-11 2003-09-30 D-Wave Systems, Inc. Shaped Josephson junction qubits
RU2483392C1 (en) * 2011-12-14 2013-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions
RU2592735C1 (en) * 2015-03-02 2016-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Fluxon ballistic detector

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2799343C2 (en) * 2018-08-13 2023-07-04 Оксфорд Юниверсити Инновейшн Лимитед Module of superconductor circuit for quantum computing
US11937517B2 (en) 2018-08-13 2024-03-19 Oxford University Innovation Limited Superconducting quantum computing circuit package
US11737374B2 (en) 2019-01-18 2023-08-22 Microsoft Technology Licensing, Llc Fabrication of a device
RU2813240C2 (en) * 2019-01-18 2024-02-08 МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи Manufacturing nanowire structure for quantum device
RU2780666C1 (en) * 2021-06-21 2022-09-28 Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант") Dual-electrode fast flow-tuned superconducting qubit based on kinetic inductance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Braginski Superconductor electronics: Status and outlook
Huber et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples
Mahdi et al. Some new horizons in magnetic sensing: high-Tc SQUIDs, GMR and GMI materials
Stehlik et al. Fast charge sensing of a cavity-coupled double quantum dot using a Josephson parametric amplifier
Txoperena et al. How reliable are Hanle measurements in metals in a three-terminal geometry?
Nagel et al. Superconducting quantum interference devices with submicron Nb/HfTi/Nb junctions for investigation of small magnetic particles
Hasselbach et al. MicroSQUID magnetometry and magnetic imaging
Granata et al. Three-dimensional spin nanosensor based on reliable tunnel Josephson nano-junctions for nanomagnetism investigations
Zorin Cooper-pair qubit and Cooper-pair electrometer in one device
Anders et al. Physical nature of electrically detected magnetic resonance through spin dependent trap assisted tunneling in insulators
Ojeda-Aristizabal et al. Towards spin injection from silicon into topological insulators: Schottky barrier between Si and Bi2Se3
RU177295U1 (en) FLACKSON RING DETECTOR
Schneider et al. Transmon qubit in a magnetic field: Evolution of coherence and transition frequency
Foroughi et al. A micro-SQUID with dispersive readout for magnetic scanning microscopy
JP2579403B2 (en) Three junction superconducting quantum interference device / mixer
Schmelz et al. Highly sensitive miniature SQUID magnetometer fabricated with cross-type Josephson tunnel junctions
Jang et al. Individual two-axis control of three singlet-triplet qubits in a micromagnet integrated quantum dot array
Roumenin Magnetic sensors continue to advance towards perfection
Gordon et al. Methods for measuring the magnetic field
RU2592735C1 (en) Fluxon ballistic detector
Liu et al. An insight into voltage-biased superconducting quantum interference devices
Zhang et al. High power and low critical current spin torque oscillation from a magnetic tunnel junction with a built-in hard axis polarizer
Webb Superconducting quantum magnetometers
Zhou et al. Electronic feedback system for superconducting quantum interference devices
US11796579B2 (en) Superconducting electromagnetic wave sensor