RU2620760C2 - Сверхпроводящая квантовая решетка на основе скиф-структур - Google Patents
Сверхпроводящая квантовая решетка на основе скиф-структур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2620760C2 RU2620760C2 RU2015149223A RU2015149223A RU2620760C2 RU 2620760 C2 RU2620760 C2 RU 2620760C2 RU 2015149223 A RU2015149223 A RU 2015149223A RU 2015149223 A RU2015149223 A RU 2015149223A RU 2620760 C2 RU2620760 C2 RU 2620760C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- superconducting
- skif
- structures
- superconducting quantum
- lattice according
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 108010028621 stem cell inhibitory factor Proteins 0.000 claims description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 6
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 22
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 34
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 13
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N azanylidyneniobium Chemical compound [Nb]#N CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F19/00—Amplifiers using superconductivity effects
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к криогенной радиоэлектронике, в том числе к активным широкополосным устройствам, и может быть использовано для приема и усиления электромагнитных сигналов в диапазоне частот от единиц герц до 10 ГГц. Сверхпроводящая квантовая решетка на основе СКИФ-структур содержит две соединенные дифференциально последовательные цепочки СКИФ-структур, состоящих из параллельно соединенных джозефсоновских контактов, средство задания магнитного поля смещения, подключенное индуктивным образом к каждой СКИФ-структуре, сверхпроводящий трансформатор и средства задания постоянного тока питания и измерения напряжения. Технический результат изобретения состоит в повышении уровня выходного сигнала и линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения за счет использования многоэлементных джозефсоновских структур, состоящих из двух дифференциально соединенных последовательных цепочек СКИФ-структур, конструкция, рабочие режимы и характеристики которых подобраны определенным образом, описанным в изобретении. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к криогенной радиоэлектронике, в том числе к активным широкополосным устройствам, и могут быть использованы в качестве детектора для приема и усиления электромагнитных сигналов в диапазоне частот от единиц герц до 10 ГГц.
Уровень техники
Устройства с джозефсоновскими контактами давно используются для детектирования магнитной компоненты сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных сигналов. Особенно активно для этих целей используются системы на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД), которые имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами. СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта, имеет согласующие и измерительные устройства, позволяющие преобразовать приложенный магнитный сигнал в отклик напряжения.
Описаны различные конструкции и схемотехнические решения сверхпроводниковых усилителей СВЧ-диапазона. В частности, описана схема согласованного усилителя на СКВИДе с нагрузкой для диапазона до 0,1 ГГЦ (JP S60247311, Noguchi, 07.12.1985). Усилитель/преобразователь, использующий этот принцип, на частоте 100 МГц продемонстрировал коэффициент усиления порядка 20 дБ с шумовой температурой 1±0,4 К при использовании входного устройства, выполненного на коаксиальном кабеле (см. US 4585999, Hilbert et al., 29.04.1986). Принципы согласования входных и выходных цепей усилителя на СКВИД с нагрузкой подробно исследованы для диапазона до 0,1 ГГЦ (JP 60247311, Noguchi, on. 07.12.1985). В изобретении (JP 1245605, Takami et al., 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. Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования для усилителей на одиночном низкотемпературном СКВИДе недостаточны для современных приложений.
Существуют две проблемы, затрудняющие переход к более высоким частотам сигналов 1-10 ГГц при сохранении характерных для сверхпроводниковых устройств высоких показателей по усилению и шумовой температуре (порядка 1…3 К). Во-первых, СКВИД-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте FS происходит путем преобразования сигнала на частоту FS+FJ, где FJ - частота джозефсоновской генерации, и последующем преобразовании вниз, снова на частоту сигнала. Исходя из соотношений Мэнли-Роу коэффициент усиления по мощности, G, такого усилителя не превышает:
Поэтому джозефсоновские переходы СКВИДа должны обладать высоким характеристическим напряжением - VC, чтобы характерная частота джозефсоновской генерации
где Ф0 - квант магнитного потока, равный 2,07×10-15 Вб, была на несколько порядков выше частоты сигнала.
Для СКВИДов на основе Nb джозефсоновских контактов типичные значения VC не превышают 100-200 мкВ, соответственно, значения FC не превышают 50-100 ГГц. Типичные значения FJ в рабочей точке примерно на порядок меньше FC и, как видно из формулы (1), усиление исчезает для сигналов с частотой порядка 10 ГГц. Естественно, ухудшаются и шумовые характеристики усилителя.
Второй проблемой для СВЧ-усилителей на основе классических СКВИДов с многовитковой входной катушкой в частотном диапазоне выше 0,01 ГГц является нелинейный вид отклика на задаваемое извне магнитное поле и невозможность линеаризации отклика с использованием традиционных систем обратной связи на таких высоких частотах, что ведет к невысокому уровню линейности усиления (порядка 20 дБ). Также без использования систем обратной связи для СКВИД-усилителей характерны малые значения динамического диапазона, то есть отношения максимального выходного сигнала Vmax к уровню шумов на выходе рассматриваемого устройства 
, задающему уровень минимального сигнала на выходе устройства:
Для решения указанных проблем могут использоваться многоэлементные джозефсоновские структуры, в том числе состоящие из N последовательно или параллельно соединенных СКВИДов. Сложение откликов от составляющих такую цепочку СКВИДов как раз и позволяет достигнуть требуемого уровня усиления.
Для увеличения линейности вольт-потокового преобразования систем на основе СКВИДов в изобретении KR 100774615 (Jin-Mok Kim et al., 2007.11.12, патент-аналог US 7453263) предложена специальная схема обратной связи, содержащая дополнительный джозефсоновский переход, однако предложенный метод увеличения линейности усилителя на основе СКВИДа существенно ограничивает максимальную рабочую частоту, так рабочая частота схемы обратной связи невелика.
В изобретениях US 2005231196 (Tarutani Y. et al., 20.10.2005) и US 7095227 (Tarutani Y. et al., 22.08.2006) описаны усилители на основе последовательной цепочки СКВИДов, представляющей собой простейшую сверхпроводящую квантовую решетку (СКР). Такие усилители позволяют использовать в качестве источника питания источник постоянного тока и занимают малую площадь. Однако такое устройство позволяет достичь лишь относительно малую линейность усиления сигнала (не более 20 дБ).
Были предложены усилители-драйверы для гигагерцового диапазона (до десятков ГГц) на основе цепочек СКВИДов, разделенных на изолированные от земли пары, для уменьшения паразитных емкостей в системе (US 6486756, Tarutani, 26.11.2002), однако такие усилители пригодны лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала. Примером усилителя сигналов быстрой одноквантовой (БОК) логики, преобразующего их на выходе в импульсы напряжения с величиной, достаточной для использования полупроводниковой электроники, является изобретение (US 6917216, Herr Quentin, 14.10.2004), использующее разделение и переотражение выходного БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения. Но это предложение опять же рассчитано исключительно на применения в цифровых устройствах.
Для увеличения динамического диапазона предлагалось перейти к усилителям, содержащим большое количество взаимосвязанных СКВИДов. Так, последовательная цепочка из регулярно расположенных одинаковых двухконтактных СКВИДов может быть использована в качестве основного элемента для усиления цифрового или аналогового сигнала, а также в качестве детектора магнитного поля. Нерегулярная цепочка СКВИДов, имеющих произвольные площади и ориентации интерферометров представляет собой так называемые сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФ), которые также могут использоваться при построении СВЧ-усилителей. Особенность СКИФа вытекает из нерегулярности его структуры: он позволяет получить один центральный максимум вольт-полевого отклика в нуле внешнего магнитного поля.
Так, в изобретении (DE 3936686, Hoenig, 08.05.1991) описан усилитель на матрице СКВИДов, охлаждаемой жидким азотом, в тонкопленочном варианте, однако указывается, что он может работать до частот 100 МГц. В изобретении (US 6005380, Hubbell Stephen, 21.12.1999) описан усилитель для антенны с использованием магнито-связанных СКВИДов, образующих многоэлементную матрицу. Однако такое устройство предназначено для работы в существенно более узком диапазоне частот и характеризуется относительно низкой предельной рабочей частотой - 516 МГц.
Для создания усилителя тока с большими значениями выходного тока предлагалось использовать альтернативный вариант создания СКР - набор параллельно соединенных СКВИДов постоянного тока (JP 2003209299, Morooka et al., 25.07.2003). Данный усилитель обладает высокими значениями выходного тока, что позволяет использовать его в качестве входной цепи систем с прямой оцифровкой сигнала, однако, предложенное устройство не рассчитано на работу в гигагерцовом диапазоне частот.
В изобретении CN 101841077B (Y. Bian et al., 22.05.2013) описан перестраиваемый высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) фильтр и способ его изготовления. Предложенный фильтр работает в высокочастотном диапазоне и, при необходимости, может характеризоваться широкой полосой пропускания. Однако задача реализации сверхпроводниковых электронных устройства для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов на основе данного изобретения пока не решена.
Цепочку СКВИДов переменной площади (СКИФ) предлагали использовать в качестве высокочувствительного магнетометра (WO 01/25805, Schopohl et al., 12.04.2001; US 7369093, Oppenlander et al., 06.05.2008), однако описанные структуры не дают необходимой линейности усиления сигнала. Не дают достаточной линейности преобразования входного магнитного сигнала в выходное напряжение и неоднородные параллельные цепочки контактов (US 7369093), не позволяющие ко всему прочему добиться значительных значений выходного сигнала.
Известен сверхпроводящий широкополосный СВЧ усилитель, содержащий подключенную к входной и выходной сверхпроводящим линиям последовательную цепочку двухконтактных СКВИДов, связанных со средствами задания рабочих режимов тока и магнитного поля (JPH 10028021, Takeda et al., 27.01.1998).
Описана структура с тремя джозефсоновскими контактами (US 8179133, Kornev et al., 15.05.2012; US 8933695, Kornev et al., 13.01.2015). В этом элементе параллельно основной индуктивности двухконтактного СКВИДа предложено включить третий джозефсоновский переход, который находится всегда в сверхпроводящем состоянии и играет роль нелинейной индуктивности. Подключение джозефсоновского контакта параллельно индуктивности СКВИДа образует двойной СКВИД, далее именуемый как би-СКВИД. Такая ячейка позволяет добиться достаточно высокой линейности преобразования входного сигнала в выходное напряжение усилителя, однако в данном случае влияние паразитных индуктивностей и емкостей затрудняет получение высоколинейного преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения. Аналогичное устройство, предназначенное для реализации на основе высокотемпературных сверхпроводников, описано в патенте RU 2544275 от 20.03.2015, однако пока не решена задача реализации требуемых сверхпроводниковых электронных устройств для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов с использованием такой ячейки.
К наиболее важным непатентным публикациям, посвященным изложению новых теоретических подходов к анализу предельных характеристик, следует отнести следующие исследования:
- описание подходов к увеличению коэффициента усиления и уменьшения шумовой температуры в СВЧ СКВИД-усилителях (Archana Kamal, John Clarke, Michel Devoret. Gain, directionality and noise in microwave SQUID amplifiers: Input-output approach. Physical Review В - 2012, vol. 86, 144510);
- предложение прорывных решений для создания сверхпроводящих квантовых решеток (V. Kornev, I. Soloviev, A. Sharafiev, N. Klenov and О. Mukhanov. Active Electrically Small Antenna Based on Superconducting Quantum Array. IEEE Transactions on Applied Superconductivity - 2013, vol. 23(3), 1800405);
- описание методов сопряжения ВТСП СКВИД-усилителей со сверхпроводящими тонкопленочными фильтрами (Kalabukhov A.S., Tarasov М.А., Stepantsov Е.А., Gevorgian S., Deleniv A., Ivanov Z.G., Snigirev O.V., Vendik O.G., Mukhanov O.A. A high-Tc L-band SQUID amplifier combined with superconductive thin-film filters. Physica C: Superconductivity and its Applications - 2002, vol. 368, p. 171-175);
- исследование возможных подходов к созданию компактных двумерных структур на основе высоколинейных би-СКВИДов (S. Berggren, G. Prokopenko, P. Longhini, A. Palacios, O.A. Mukhanov, A. Leese de Escobar, B.J. Taylor, M.C. de Andrade, M. Nisenoff, R.L. Fagaly, T. Wong, E. Cho, E. Wong, V. In. Development of 2D Bi-SQUID Arrays with High Linearity. IEEE Transactions on Applied Superconductivity - 2013, vol. 23(3), 1400208).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция СВЧ-усилителя на основе последовательных цепочек СКВИДов постоянного тока, площади которых подобраны так, чтобы обеспечить повышенный коэффициент усиления и высокую линейность в полосе частот 1-10 ГГц (RU 2353051, Корнев и др., 06.06.2007). Однако реализация требуемых цепочек СКВИДов с заданной точностью параметров на сегодняшний день представляется чрезвычайно сложной технической задачей, что ограничивает величину достижимой в реальном эксперименте линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения на уровне 50 дБ.
Раскрытие изобретения
Заявляемая сверхпроводящая квантовая решетка на основе СКИФ-структур содержит две соединенные дифференциально последовательные цепочки (1 и 2) СКИФ-структур (3), включающих параллельно соединенные джозефсоновские контакты (4) и соединительные индуктивности; средство задания магнитного поля смещения (5), подключенное к сверхпроводящему трансформатору (6), соединенному индуктивным образом с каждой СКИФ-структурой; средства задания постоянного тока питания и измерения напряжения (7).
Устройство может характеризоваться тем, что число соединенных параллельно джозефсоновских контактов в каждой СКИФ-труктуре составляет по меньшей мере 30 единиц.
Устройство может характеризоваться тем, что число соединенных последовательно СКИФ-труктур в каждой цепочке составляет по меньшей мере 100 единиц.
Устройство может характеризоваться тем, что количество джозефсоновских контактов в каждой СКИФ-структуре должно быть одинаково для каждой из цепочек.
Устройство может характеризоваться тем, что количество СКИФ-структур должно быть одинаково для каждой из цепочек.
Устройство может характеризоваться тем, что джозефсоновские контакты выполнены в виде слоистых тонкопленочных структур, содержащих: нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.
Устройство может характеризоваться тем, что в качестве материала нижнего и верхнего сверхпроводящего электрода, сверхпроводящего трансформатора, сверхпроводящих соединений и между джозефсоновскими контактами в СКИФ-труктуре, и между СКИФ-труктурами в цепочке использован ниобий, алюминий или сплав на основе этих металлов.
Устройство может характеризоваться еще и тем, что в качестве материала слоя изолятора использован оксид алюминия Al2O3.
Устройство может характеризоваться еще и тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет 50-500 нм.
Устройство может характеризоваться еще и тем, что толщина слоя изолятора составляет 1-20 нм.
Технический результат изобретения состоит в повышении уровня выходного сигнала и линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения за счет использования многоэлементных джозефсоновских структур, состоящих из двух дифференциально соединенных последовательных цепочек СКИФ-структур.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемой сверхпроводящей квантовой решетки на основе СКИФ-структур, где IM - ток, задающий магнитное поле смещения ±BDC, Ib - ток питания, Bext - внешнее поле, превращаемое посредством сверхпроводящего трансформатора в поле, действующее на СКИФ-структуры Btr, Vout1,2 - напряжение, снимаемое с последовательных цепочек СКИФ-структур.
На фиг. 2 проиллюстрирован принцип построения элементарной квантовой ячейки сверхпроводящей квантовой решетки, состоящей из двух плеч в виде дифференциально соединенных СКИФ-структур, каждая из которых есть цепочка параллельно соединенных джозефсоновских контактов. Здесь Ф - магнитный поток, создаваемый действующим на СКИФ-структуру магнитным полем; ±δФ - магнитный поток, создаваемый полем смещения, I1, I2 - токи, затекающие в левое и правое плечо ячейки соответственно, Ib - ток питания, Ie - затекающий в нагрузку, Re - сопротивление нагрузки.
На фиг. 3 показаны отклики напряжения сверхпроводящей квантовой решетки, состоящей из двух СКИФ-структур, каждая из которых содержит 10 джозефсоновских контактов с нормированной величиной индуктивностей связи l=0.5: без нагрузки при «критическом» токе смещения Ib=IC (кривая 8); при токе смещения Ib=1.06IC (кривая 9); нагруженной на резистивный импеданс Re=10RN при том же токе смещения Ib=1.06IC (кривая 10), где RN - нормальное сопротивление плеча ячейки, LA и RA - левое и правое плечи элементарной квантовой ячейки соответственно.
На фиг. 4 - рассчитанные зависимости линейности функции отклика напряжения сверхпроводящей квантовой решетки от величины магнитного потока смещения с нормированными индуктивностями связи джозефсоновских контактов l=0.5 при разных амплитудах входного гармонического сигнала, которые соответствуют размаху напряжения на выходе ячейки, составляющему 30%, 50%, 60%, 70% и 80% (границы областей линейности 11, 12, 13, 14 и 15 соответственно). Видно, что для предлагаемого технического решения достижимым уровнем линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения является 60…80 дБ, что намного выше реально достижимых характеристик ближайшего аналога.
Позициями на чертежах обозначены: 1 и 2 - соединенные дифференциально последовательные цепочки СКИФ-структур; 3 - СКИФ-структуры, состоящие из параллельно соединенных джозефсоновских контактов; 4 - джозефсоновские контакты; 5 - средство задания магнитного поля смещения; 6 - сверхпроводящий трансформатор; 7 - редства задания постоянного тока питания и измерения напряжения.
Осуществление изобретения
Сверхпроводящая квантовая решетка на основе СКИФ-структур (см. фиг. 1 и 2) представляет собой соединенные дифференциально последовательные цепочки (1 и 2) СКИФ-структур (3). Каждая СКИФ-структура состоит из параллельно соединенных джозефсоновских контактов (4) в резистивном состоянии, включенных дифференциально и смещенных взаимно ротивоположно некоторым магнитным потоком δФ при помощи средства задания магнитного поля смещения (5). Полный ток питания для каждой цепочки, задаваемый через средства задания постоянного тока (7) превышает максимальную величину критического тока цепочки и, таким образом, обуславливает ее переход в резистивное состояние. Сверхпроводящий трансформатор (6) превращает внешнее магнитное поле в приложенный к СКИФ-структурам сигнал, формирующий для каждой из них отклик напряжения, складывающийся при последовательном соединении в отклик цепочки.
Заявляемая схема характеризуется тем, что при дифференциальном сложении откликов последовательных цепочек результирующее преобразование магнитного сигнала в отклик напряжения будет обладать высокой линейностью.
Цепочка соединенных дифференциально квантовых ячеек фактически представляет собой две дифференциально включенные последовательные цепочки правых и левых плеч квантовых ячеек (СКИФ-структур, включающих параллельно соединенные джозефсоновские контакты). Каждая из этих цепочек индуктивно связана с общим трансформатором магнитного потока. Все квантовые ячейки должны находиться в одинаковом резистивном состоянии, что достигается заданием одинакового тока смещения цепочек Ib, превышающего критический ток плеча квантовой ячейки. Ко всем элементам этих цепочек прикладывается одинаковый входной сигнал (магнитный поток). Ток магнитного смещения IM протекает непосредственно по сторонам общего трансформатора, совпадая по направлению с круговым током входного сигнала в одной стороне трансформатора и имея противоположное сигнальному току направление в другой стороне трансформатора.
На фиг. 3 показан вид откликов напряжения сверхпроводящей квантовой решетки (т.е. среднее напряжение на сверхпроводящей квантовой решетке, величина которого зависит от величины магнитного потока, создаваемого действующим на СКИФ-структуру магнитным полем), состоящей из двух СКИФ-структур, каждая из которых содержит 10 джозефсоновских контактов с нормированной величиной индуктивностей связи l=0.5:
без нагрузки при «критическом» токе смещения Ib=IC (кривая 8);
без нагрузки при токе смещения Ib=1.06IC (кривая 9).
Наиболее оптимальным значением тока смещения является величина Ib=1.06IC, позволяющая достигать линейности отклика до 100…105 дБ при магнитном смещении плеч ячейки 0.65…0.7 квантов магнитного потока Ф0.
Для случая, когда сверхпроводящая квантовая решетка нагружена на резистивный импеданс Re=10RN (RN - нормальное сопротивление СКИФ-структуры) при том же токе смещения Ib=1.06IC возникает отклонение реально питающих цепочки СКИФ-структур токов I1 и I2 от задаваемых значений. Рассчитанный отклик для этого случая представлен на кривой 10. Уменьшение тока питания позволяет в значительной степени скомпенсировать влияние нагрузки и получить отклик, близкий к отклику, показанному кривой 9, если соотношения между импедансами Re и RN не менее 10.
На фиг. 4 продемонстрировано, как зависят линейности функции отклика напряжения сверхпроводящей квантовой решетки от величины магнитного потока смещения с нормированными индуктивностями связи джозефсоновских контактов l=0.5 при разных амплитудах входного гармонического сигнала, которые соответствуют размаху напряжения на выходе ячейки. При задании магнитного смещения 0.7 для достижения наилучшей линейности, составляющей 70…80 дБ и намного превосходящей линейность преобразования в прототипе изобретения, полный размах отклика простейшей сверхпроводящей квантовой решетки будет составлять примерно 1.4VC.
Высокая линейность (70…80 дБ) характеристик активных устройств на основе сверхпроводящих квантовых решеток обеспечивается высокой линейностью отклика квантовой ячейки, состоящей из двух соединенных дифференциально и смещенных взаимно ротивоположно магнитным потоком δФ (величиной 0.65 Ф0…0.7Ф0) СКИФ-структур, а динамический диапазон может быть существенно увеличен с увеличением числа K квантовых ячеек в решетке. Если DR1 - динамический диапазон одной элементарной квантовой ячейки, то динамический диапазон решетки, содержащей K квантовых ячеек, может достигать величины DR=DR1K1/2. Изменение соотношения между числом последовательно включенных квантовых ячеек и числом джозефсоновских контактов в СКИФ-структуре, включенных параллельно, позволяет изменять выходной импеданс сверхпроводящей квантовой решетки, добиваясь выполнения соотношения Re>10RN. Оценки для радиуса взаимодействия между джозефсоновскими контактами на сигнальной (низкой) частоте позволяют определить оптимальное для максимизации динамического диапазона значение N как 30…40 единиц. Оценки для ожидаемой величины резистивного импеданса нагрузки Re (порядка 50 Ом) позволяют установить, что минимальное количество последовательно соединенных СКИФ-структур в цепочке K составляет 100 единиц.
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 сверхпроводящей квантовой решетки, могут быть использованы любые стандартные подложки (кремний, сапфир и пр.). В качестве материала для слоя изолятора - оксид алюминия. В качестве материала для сверхпроводящих элементов - ниобий, алюминий, а также нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец. Типичные толщины слоев для патентуемой структуры находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.
Общая эффективность электрически малых антенн трансформаторного типа зависит от площади трансформатора, коэффициента трансформации потока в квантовые ячейки и числа ячеек в цепочке, которая может располагаться в основном по контуру трансформатора. При этом общее число квантовых ячеек увеличивается пропорционально увеличению периметра трансформатора. Поскольку индуктивность трансформатора (оптимальной квадратной формы) пропорциональна его периметру (стороне квадрата а), то магнитный поток, приложенный к одной квантовой ячейке, растет с увеличением стороны квадратного трансформатора как а. Как следствие, крутизна преобразования магнитной компоненты падающей электромагнитной волны в напряжение на последовательной цепочке квантовых ячеек увеличивается с увеличением стороны а квадратного трансформатора как а 2. При этом динамический диапазон такой антенны, увеличивающийся пропорционально корню квадратному из числа квантовых ячеек, будет увеличиваться с увеличением стороны а как а 0.5. При использовании одной из наиболее освоенных и широко используемых технологий изготовления сверхпроводниковых интегральных схем, которой является ниобиевая технология с плотностью критического тока туннельных джозефсоновских структур 4.5 кА/см2, правила проектирования топологии сверхпроводниковых структур (http://www.hypres.com/wp-content/uploads/2010/11/DesignRules-4.pdf), в том числе доступные размеры составных элементов, позволяют сделать следующие оценки возможного количества квантовых ячеек в антенне. В случае использования чипа размером 5×5 мм2, антенна трансформаторного типа может содержать до 100 дифференциальных ячеек, а на чипе размером 10×10 мм2 - до 200 дифференциальных ячеек.
Claims (10)
1. Сверхпроводящая квантовая решетка на основе СКИФ-структур, содержащая две соединенные дифференциально последовательные цепочки СКИФ-структур, включающих параллельно соединенные джозефсоновские контакты и соединительные индуктивности; средство задания магнитного поля смещения, подключенное к сверхпроводящему трансформатору, соединенному индуктивным образом с каждой СКИФ-структурой; средства задания постоянного тока питания и измерения напряжения.
2. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 1, характеризующаяся тем, что число соединенных параллельно джозефсоновских контактов в каждой СКИФ-структуре составляет по меньшей мере 30 единиц.
3. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 1, характеризующаяся тем, что число соединенных последовательно СКИФ-структур в каждой цепочке составляет по меньшей мере 100 единиц.
4. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 1, характеризующаяся тем, что количество джозефсоновских контактов в каждой СКИФ-структуре является одинаковым для каждой из цепочек.
5. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 1, характеризующаяся тем, что количество СКИФ-структур является одинаковым для каждой из цепочек.
6. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 1, характеризующаяся тем, что джозефсоновские контакты выполнены в виде слоистых тонкопленочных структур, содержащих: нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.
7. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 6, характеризующаяся тем, что в качестве материала нижнего и верхнего сверхпроводящего электрода, сверхпроводящего трансформатора, сверхпроводящих соединений и между джозефсоновскими контактами в СКИФ-структуре, и между СКИФ-структурами в цепочке использован ниобий, алюминий или сплав на основе этих металлов.
8. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 6, характеризующаяся тем, что в качестве материала слоя изолятора использован оксид алюминия Al2O3.
9. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 6, характеризующаяся тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет 50-500 нм.
10. Сверхпроводящая квантовая решетка по п. 6, характеризующаяся тем, что толщина слоя изолятора составляет 1-20 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015149223A RU2620760C2 (ru) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | Сверхпроводящая квантовая решетка на основе скиф-структур |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015149223A RU2620760C2 (ru) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | Сверхпроводящая квантовая решетка на основе скиф-структур |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015149223A RU2015149223A (ru) | 2017-05-22 |
| RU2620760C2 true RU2620760C2 (ru) | 2017-05-29 |
Family
ID=58877836
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015149223A RU2620760C2 (ru) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | Сверхпроводящая квантовая решетка на основе скиф-структур |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2620760C2 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US880853A (en) * | 1906-08-02 | 1908-03-03 | Thomas Wright | Stop-motion and regulator for winding-machines. |
| RU2325004C1 (ru) * | 2006-09-27 | 2008-05-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СКВИДа |
| RU2353051C2 (ru) * | 2007-06-06 | 2009-04-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | Сверхпроводящий широкополосный свч-усилитель |
| WO2010042735A2 (en) * | 2008-10-09 | 2010-04-15 | D-Wave Systems Inc. | Systems, methods and apparatus for measuring magnetic fields |
-
2015
- 2015-11-17 RU RU2015149223A patent/RU2620760C2/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US880853A (en) * | 1906-08-02 | 1908-03-03 | Thomas Wright | Stop-motion and regulator for winding-machines. |
| RU2325004C1 (ru) * | 2006-09-27 | 2008-05-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СКВИДа |
| RU2353051C2 (ru) * | 2007-06-06 | 2009-04-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | Сверхпроводящий широкополосный свч-усилитель |
| WO2010042735A2 (en) * | 2008-10-09 | 2010-04-15 | D-Wave Systems Inc. | Systems, methods and apparatus for measuring magnetic fields |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015149223A (ru) | 2017-05-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11005024B1 (en) | High linearity superconducting radio frequency magnetic field detector | |
| CN111903057B (zh) | 用于将超导传输线耦合到谐振器阵列的系统和方法 | |
| CN102460196B (zh) | 用于测量时变磁场或磁场梯度的测量仪器、电阻元件和测量系统 | |
| EP0545948B1 (en) | High symmetry dc squid system | |
| Han et al. | Demonstration of Josephson effect submillimeter wave sources with increased power | |
| US20200350880A1 (en) | Superconducting traveling-wave parametric amplifier | |
| US5933001A (en) | Method for using a wideband, high linear dynamic range sensor | |
| US6362617B1 (en) | Wideband, high dynamic range antenna | |
| WO2016008352A1 (zh) | 采用单个运算放大器的超导量子干涉器磁传感器 | |
| Kornev et al. | Array designs for active electrically small superconductive antennas | |
| Stawiasz et al. | Noise measurements of series SQUID arrays | |
| US5600242A (en) | Electrically small broadband high linear dynamic range deceiver including a plurality of active antenna elements | |
| JP6896272B2 (ja) | 周波数多重読出装置及びその設計方法 | |
| Müller et al. | Microwave design and performance of PTB 10 V circuits for the programmable Josephson voltage standard | |
| JP7290660B2 (ja) | 超伝導量子干渉装置 | |
| RU2620760C2 (ru) | Сверхпроводящая квантовая решетка на основе скиф-структур | |
| Kornev et al. | From single SQUID to superconducting quantum arrays | |
| RU2353051C2 (ru) | Сверхпроводящий широкополосный свч-усилитель | |
| RU2325004C1 (ru) | СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СКВИДа | |
| Kolotinskiy et al. | On the path to superconductor broadband receivers | |
| RU2792981C1 (ru) | Джозефсоновский параметрический усилитель бегущей волны на основе би-сквидов | |
| Cao et al. | Realization of a 2-V programmable josephson junction array using balanced segmentation scheme | |
| JP5076051B2 (ja) | 電磁波検出素子およびそれを用いた電磁波検出装置 | |
| RU2544275C2 (ru) | Свч-усилитель на основе высокотемпературного сквида с четырьмя джозефсоновскими контактами | |
| Li et al. | High linear dynamic range magnetometer utilizing a large array of serially connected SQUIDs |