RU2790064C1

RU2790064C1 - Method and system for precision measurement of the critical current of the sis-type josephson junction

Info

Publication number: RU2790064C1
Application number: RU2022112913A
Authority: RU
Inventors: Алексей Геннадьевич Вострецов; Дмитрий Игоревич Вольхин; Андрей Васильевич Кривецкий; Илья Леонидович Новиков; Дмитрий Константинович Пицун; Никита Сергеевич Хайло
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-02-14

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of measuring technology, and more specifically to methods for measuring the parameters of cryogenic electronic devices, in particular, to measuring the critical current of a SIS-type Josephson junction contact. A method is proposed for precision measurement of the critical current of a SIS-type Josephson junction placed in a refrigerator at a temperature below the critical one. To implement the method, an electric signal is formed using a current source in the form of a sequence of current pulses with increasing sections. Within the positive part of the rising sections of each pulse, the values of the voltage at the Josephson junction and the values of the current flowing through it are synchronously measured. The digital signal processing device sequentially compares the voltage values with the threshold value, determines the values of adjacent current samples

and

corresponding to the first exceeding the threshold value by voltage samples within each pulse and the previous sample. Then, among all the received current readings

, the maximum value is determined, and among the readings

, the minimum value. The value of the critical current is found as the average value between the obtained maximum and minimum current values.

EFFECT: reducing the measurement error of the critical current of the SIS-type Josephson junction, increasing the measurement speed and providing automatic measurement mode in digital form.

6 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к способам измерения параметров криогенных электронных устройств, в частности, измерению критического тока контакта джозефсоновского перехода SIS-типа.The invention relates to the field of measuring technology, and more specifically to methods for measuring the parameters of cryogenic electronic devices, in particular, measuring the critical current of a SIS-type Josephson junction contact.

В связи с возрастающими требованиями к быстродействию и энергоэффективности электронной компонентной базы, освоением новых частотных диапазонов, особенно в области систем связи и обработки сигналов, в области вычислительной техники, бурное развитие получило новое направление в электронике – криогенная электроника. Своим становлением она обязана огромным достижениям ученых в области физики сверхпроводников, появлению и развитию нанотехнологий. Одним из основных элементов, используемых в криоэлектронике, является джозефсоновский переход. Спектр технологий и материалов, используемых для создания джозефсоновских переходов, непрерывно расширяется, появилось понятие сверхпроводниковой интегральной схемы (СПИС), возникли предприятия по производству таких схем. Создание СПИС, содержащих десятки тысяч джозефсоновских переходов, требует высокой повторяемости их характеристик, накладывает новые требования к их конструкции.Due to the increasing requirements for the speed and energy efficiency of the electronic component base, the development of new frequency ranges, especially in the field of communication systems and signal processing, in the field of computer technology, a new direction in electronics - cryogenic electronics - has been rapidly developing. It owes its formation to the enormous achievements of scientists in the field of superconductor physics, the emergence and development of nanotechnologies. One of the main elements used in cryoelectronics is the Josephson junction. The range of technologies and materials used to create Josephson junctions is constantly expanding, the concept of a superconducting integrated circuit (SIC) has appeared, and enterprises for the production of such circuits have emerged. The creation of LSIS containing tens of thousands of Josephson junctions requires a high repeatability of their characteristics and imposes new requirements on their design.

Одной из основных характеристик джозефсоновских переходов является их вольт-амперная характеристика. При создании и исследовании новых элементов на базе джозефсоновских переходов, разработке и отладке технологии их изготовления, а также при контроле в серийном производстве требуется проведение многократных измерений ВАХ. Особенностью измерения ВАХ джозефсоновских переходов состоит в том, что измеряемые токи и напряжения зачастую соизмеримы с уровнем шумов источника тока и измерительной аппаратуры, поэтому процедура измерения требует усреднения результатов на достаточно длительных интервалах времени и во многом зависит от выбора применяемой при этом методики. Чрезвычайно актуальной является проблема автоматизации таких измерений, разработки соответствующих способов проведения измерения и контроля параметров ВАХ в автоматическом режиме в цифровом виде с требуемой точностью.One of the main characteristics of Josephson junctions is their current-voltage characteristic. When creating and studying new elements based on Josephson junctions, developing and debugging their manufacturing technology, as well as during control in serial production, multiple measurements of the CVC are required. A feature of measuring the I–V characteristics of Josephson junctions is that the measured currents and voltages are often commensurate with the noise level of the current source and measuring equipment, so the measurement procedure requires averaging the results over sufficiently long time intervals and largely depends on the choice of the technique used. Extremely topical is the problem of automating such measurements, developing appropriate methods for measuring and controlling the parameters of the I–V characteristic in automatic mode in digital form with the required accuracy.

В настоящее время известно большое число типов джозефсоновских переходов, различающихся структурой, технологией изготовления и используемыми материалами. Достаточно упомянуть контакты SIS-типа (сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник), SNIS (сверхпроводник-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник), SNS (сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник), SDS (сверхпроводник-легированный или вырожденный полупроводник-сверхпроводник). Каждый тип контакта имеет свои особенности ВАХ.At present, a large number of types of Josephson junctions are known, differing in structure, manufacturing technology, and materials used. Suffice it to mention SIS-type contacts (superconductor-insulator-superconductor), SNIS (superconductor-normal metal-insulator-superconductor), SNS (superconductor-normal metal-superconductor), SDS (superconductor-doped or degenerate semiconductor-superconductor). Each type of contact has its own I–V characteristics.

Одними из основных параметров ВАХ являются значение критического тока I _c – максимальное значение сверхтока при нулевом напряжении на джозефсоновском переходе, и щелевое напряжение V _g, возникающее на контактах на джозефсоновского перехода в момент превышения протекающего через него тока критического значения I _c. Характерной чертой ВАХ джозефсоновских переходов SIS-типа является гистерезис и резкий излом ВАХ в точке I _c. (фиг. 1). Поскольку для джозефсоновских переходов величина щелевого напряжения V _g является достаточной большой (для переходов Nb/AlOx/Nb V _g≈3 мВ при температуре 4,2К), измерение напряжений в области напряжений V>V _g не вызывает затруднений, однако значения токов при этом остаются достаточно малыми. Наиболее сложным оказывается проведение измерений и их автоматизация в области особенностей ВАХ (к числу таких особенностей для переходов SIS-типа относится измерение критического тока I _c, для переходов других типов – SNIS (сверхпроводник-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник). Сложность обусловлена тем, что протекающий через джозефсоновский переход ток I(t) неизбежно содержит флуктуационную составляющую, обусловленную шумами источника тока и собственными шумами перехода. Это приводит к значительной погрешности измерений. Для уменьшения погрешности в подавляющем числе случаев применяют раздельное усреднение результатов измерений тока и напряжения, что приводит к возникновению методической погрешности, значительной при малых значениях критического тока. Вторым источником погрешности является флуктуационная составляющая измерителей тока и напряжения на переходе.One of the main CVC parameters is the value of the critical currentI _c is the maximum value of the overcurrent at zero voltage at the Josephson junction, and the gap voltageV _g, arising on the contacts on the Josephson junction at the moment when the current flowing through it exceeds the critical valueI _c. A characteristic feature of the CVC of SIS-type Josephson junctions is the hysteresis and a sharp break in the CVC at the pointI _c. (Fig. 1). Since for Josephson junctions the magnitude of the gap voltageV _g is large enough (for Nb/AlOx/NbV _g≈3 mV at 4.2K), voltage measurement in the voltage rangeV>V _g does not cause difficulties, however, the values of the currents remain sufficiently small. The most difficult is to carry out measurements and automate them in the area of I–V characteristics (such features for SIS-type junctions include the measurement of the critical currentI _c, for transitions of other types - SNIS (superconductor-normal metal-insulator-superconductor). The complexity is due to the fact that the current flowing through the Josephson junctionI(t) inevitably contains a fluctuation component due to current source noise and junction intrinsic noise. This leads to significant measurement errors. To reduce the error in most cases, separate averaging of the results of measurements of current and voltage is used, which leads to the appearance of a methodological error, which is significant at low values of the critical current. The second source of error is the fluctuation component of current and voltage meters at the junction.

Аналогичные проблемы измерения критического тока присутствуют и для высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Для ВТСП известно большое число способов и устройств измерения критического тока.Similar problems of measuring the critical current are also present for high-temperature superconductors (HTSCs). For HTSC, a large number of methods and devices for measuring the critical current are known.

Известны способы бесконтактного измерения критического тока ВТСП, заключающиеся в возбуждении магнитного момента в ВТСП-кольце путем пропускания переменного тока через соленоид, в поле которого находится ВТСП-кольцо, и регистрации этого магнитного момента с помощью датчика магнитного поля. Определение величины критического тока производится путем измерения ширины петли гистерезиса - графика зависимости магнитного момента ВТСП-кольца от поля соленоида [Жуков А.А., Мощалков В.В. Критическая плотность тока в высокотемпературных сверхпроводниках // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1991, т.4, №5, 853-855 с.].Known methods for non-contact measurement of the critical current of the HTSC, consisting in the excitation of the magnetic moment in the HTSC ring by passing an alternating current through the solenoid, in the field of which the HTSC ring is located, and recording this magnetic moment using a magnetic field sensor. The determination of the critical current value is carried out by measuring the width of the hysteresis loop - a graph of the dependence of the magnetic moment of the HTSC ring on the solenoid field [Zhukov A.A., Moshchalkov V.V. Critical current density in high-temperature superconductors // Superconductivity: physics, chemistry, technology, 1991, vol. 4, no. 5, 853-855 pp.].

Известен способ измерения критического тока сверхпроводника (см. RU 2156980 C1, опубл. 27.09.2000), заключающийся в том, что по сверхпроводнику, находящемуся в магнитном поле, пропускают транспортный ток в направлении перпендикулярном полю, и в момент появления падения напряжения измеряют величину критического тока, отличающийся тем, что сверхпроводник размещают между полюсами магнитной системы, создающей в его локальном объеме пятно магнитного потока с индукцией B, и измеряют величину критического тока этой локальной области для данного значения индукции.There is a known method for measuring the critical current of a superconductor (see RU 2156980 C1, publ. 09/27/2000), which consists in the fact that a transport current is passed through a superconductor located in a magnetic field in a direction perpendicular to the field, and at the moment a voltage drop occurs, the value of the critical current, characterized in that the superconductor is placed between the poles of the magnetic system, which creates a spot of magnetic flux with induction B in its local volume, and the value of the critical current of this local region is measured for a given value of induction.

Известен способ измерения плотности критического тока образцов ВТСП-керамики (см. RU2102771 C1, опубл. 20.01.1998), заключающийся в том, что образец ВТСП-керамики помещают в переменное магнитное поле звуковой частоты, измеряют величину критического транспортного тока, определяют зависимость критического тока от величины магнитного поля и по этой зависимости судят о плотности критического тока при нулевом магнитном поле.A known method for measuring the critical current density of samples of HTSC ceramics (see RU2102771 C1, publ. 01/20/1998), which consists in the fact that a sample of HTSC ceramics is placed in an alternating magnetic field of sound frequency, the value of the critical transport current is measured, the dependence of the critical current is determined on the magnitude of the magnetic field and this dependence is used to judge the density of the critical current at zero magnetic field.

Общими недостатками перечисленных способов являются следующие: измерение величины критического тока при нулевом магнитном поле, воздействующем на объект измерения, осуществляется косвенным путем; методы не предусматривают учета флуктуационной составляющей тока, что приводит к увеличению погрешности измерения; значение критического тока определяют как точку излома на графике ВАХ, что в свою очередь вносит дополнительную инструментальную погрешность. Кроме того, данные способы не предназначены для реализации в автоматических цифровых измерительных системах, так как не учитывают эффекты дискретизации измеряемых сигналов, что обусловит дополнительную погрешность при реализации измерений в цифровом виде.The common disadvantages of these methods are the following: the measurement of the magnitude of the critical current at zero magnetic field acting on the object of measurement is carried out indirectly; methods do not take into account the fluctuation component of the current, which leads to an increase in the measurement error; the value of the critical current is determined as a break point on the I–V curve, which in turn introduces an additional instrumental error. In addition, these methods are not intended for implementation in automatic digital measuring systems, since they do not take into account the effects of sampling the measured signals, which will cause an additional error in the implementation of measurements in digital form.

Известно устройство (см. SU1045791 A1, опубл. 07.08.1991) для автоматического измерения критических токов технических сверхпроводников, содержащее источник магнитного поля, источник питания, к которому через шунт подключены токовые выводы образца, усилитель, к которому подключены потенциальные выводы образца, схему регулирования тока образца, соединенную с выходом цифровой схемы сравнения, один вход которой соединен с задатчиком кода, а другой – с аналого-цифровым преобразователем, в который с целью измерения зависимости критического тока от индукции магнитного поля в него введен делитель аналоговых сигналов, один вход которого соединен с выходом усилителя, другой – с шунтом, а выход соединен с аналого-цифровым преобразователем. A device is known (see SU1045791 A1, publ. 08/07/1991) for automatic measurement of critical currents of technical superconductors, containing a magnetic field source, a power source to which the current outputs of the sample are connected through a shunt, an amplifier to which the potential outputs of the sample are connected, a control circuit sample current connected to the output of a digital comparison circuit, one input of which is connected to the code generator, and the other to an analog-to-digital converter, into which, in order to measure the dependence of the critical current on the magnetic field induction, an analog signal divider is introduced into it, one input of which is connected with the output of the amplifier, the other with a shunt, and the output is connected to an analog-to-digital converter.

Недостатком данного устройства является то, что значение критического тока непосредственно не измеряется, а определяется кодом, задаваемым задатчиком кода, его погрешность определяется погрешностью установки тока источником питания, задающим протекающий через образец ток, которая неизбежно содержит флуктуационную составляющую и погрешность, связанную с конечной разрядностью задатчика кода. The disadvantage of this device is that the value of the critical current is not directly measured, but is determined by the code set by the code generator, its error is determined by the error in setting the current by the power source that sets the current flowing through the sample, which inevitably contains a fluctuation component and an error associated with the finite capacity of the generator code.

Наиболее близкими по реализации к заявляемым способу и системе являются способ и устройство, описанные в работе [Direct Measurement of the Josephson Supercurrent in an Ultrasmall Josephson Junction/ A. Steinbach, P. Joyez, A. Cottet, D. Esteve, M. H. Devoret, M. E. Huber, and John M. Martinis // PHYSI CAL REV EW LETTERS, VOLUME 87, NUMBER 13, P. 137003-1 – 137003-4, размещено в Интернет по адресу https://iramis.cea.fr/drecam/spec/Pres/Quantro/Qsite/publi/articles/fichiers/preprints/01-PRL-Steinbach-UltrasmallJJ.pdf].The closest in implementation to the claimed method and system are the method and device described in [Direct Measurement of the Josephson Supercurrent in an Ultrasmall Josephson Junction/ A. Steinbach, P. Joyez, A. Cottet, D. Esteve, M. H. Devoret, M. E. Huber, and John M. Martinis // PHYSI CAL REV EW LETTERS, VOLUME 87, NUMBER 13, P. 137003-1 – 137003-4, posted on the Internet at https://iramis.cea.fr/drecam/spec/ Pres/Quantro/Qsite/publi/articles/fichiers/preprints/01-PRL-Steinbach-UltrasmallJJ.pdf].

Источник тока включается последовательно с джозефсоновским переходом, охлажденным до температуры ниже критической, и измерителем тока, к контактам джозефсоновского перехода подключается измеритель напряжения и измеряется зависимость напряжения от протекающего через джозефсоновский переход тока. Максимальное значение тока при нулевом напряжении на джозефсоновским переходе принимается за критическое значение.The current source is connected in series with the Josephson junction, cooled to a temperature below the critical one, and the current meter, a voltage meter is connected to the contacts of the Josephson junction and the dependence of the voltage on the current flowing through the Josephson junction is measured. The maximum value of the current at zero voltage at the Josephson junction is taken as the critical value.

Недостатками данного способа и реализующего его устройства являются большая погрешность измерения, обусловленная собственными шумами источника тока, самого джозефсоновского перехода и компонентов устройства, дающая заниженное значение критического тока, наличие дополнительной инструментальной погрешности вследствие определения значения критического тока как точки излома на графике ВАХ. Кроме того, данный способ и устройство не предназначены для реализации в автоматических цифровых измерительных системах, так как при использовании измерителей тока и напряжения с цифровым выходом не учитывают эффекты дискретизации измеряемых сигналов, что обусловливает дополнительную погрешность при реализации измерений в цифровом виде.The disadvantages of this method and the device that implements it are a large measurement error due to the intrinsic noise of the current source, the Josephson junction itself and the device components, which gives an underestimated value of the critical current, the presence of an additional instrumental error due to determining the value of the critical current as a break point on the I–V curve. In addition, this method and device are not intended for implementation in automatic digital measuring systems, since when using current and voltage meters with a digital output, the sampling effects of the measured signals are not taken into account, which causes an additional error in the implementation of measurements in digital form.

Техническая проблема состоит в необходимости разработки способа измерения критического тока джозефсоновского перехода SIS-типа, в котором будет уменьшена погрешность измерения критического тока, обусловленная собственными шумами источника тока, самого джозефсоновского перехода и компонентов измерительной системы, а также уменьшена инструментальная погрешность измерения значения критического тока, обусловленная определением точки излома ВАХ. Также техническая проблема заключается в необходимости разработки системы прецизионного измерения критического тока джозефсоновского перехода SIS-типа.The technical problem is the need to develop a method for measuring the critical current of the SIS-type Josephson junction, in which the error in measuring the critical current due to the intrinsic noise of the current source, the Josephson junction itself and the components of the measuring system will be reduced, and the instrumental error in measuring the value of the critical current due to determination of the break point of the I–V characteristic. Also, the technical problem lies in the need to develop a system for precision measurement of the critical current of the Josephson junction of the SIS type.

Технический результат заключается в снижении погрешности измерения критического тока джозефсоновского перехода SIS-типа, повышении скорости измерения и обеспечении автоматического режима измерений в цифровом виде.The technical result consists in reducing the measurement error of the critical current of the Josephson junction of the SIS type, increasing the measurement speed and providing an automatic measurement mode in digital form.

Для решения указанной технической проблемы предложен способ прецизионного измерения критического тока джозефсонсоновского перехода SIS-типа, заключающийся в том, что джозефсонсоновский переход SIS-типа размещают в рефрижераторе, к выводам джозефсоновского перехода подключают цифровой измеритель напряжения и источник тока с последовательно включенным цифровым измерителем тока, охлаждают джозефсоновский переход SIS-типа до температуры ниже критической, отличающийся тем, что при помощи источника тока формируют электрический сигнал, представляющий собой последовательность, состоящую из n импульсов тока с нарастающими участками, в переделах положительной части нарастающих участков каждого из n импульсов тока через равные промежутки времени синхронно измеряют значения напряжения на джозефсонсоновском переходе SIS-типа и протекающего через него тока, называемые в дальнейшем отсчетами, значения отсчетов напряжения и тока передают в устройство цифровой обработки сигналов, в устройстве цифровой обработки сигналов последовательно сравнивают значения отсчетов напряжения, полученных на нарастающих участках каждого k-го из n импульсов тока, с пороговым значением напряжения, определяют значения соседних синхронных отсчетов тока

и

, соответствующие первому в пределах k-го импульса превышению порогового значения отсчетами напряжений и предшествующему ему отсчету, определяют максимальное значение среди всех n отсчетов тока

, соответствующих значениям отсчетов напряжения, предшествующих превышению порога в пределах каждого k-го из n импульсов, определяют минимальное значение среди всех n отсчетов тока

, соответствующих значениям отсчетов напряжения, первыми превысивших пороговое значение в пределах каждого k-го из n импульсов, находят значение критического тока, равное среднему значению между полученными максимальным и минимальным значениями тока.To solve this technical problem, a method is proposed for precision measurement of the critical current of the SIS-type Josephson junction, which consists in the fact that the SIS-type Josephson junction is placed in a refrigerator, a digital voltage meter is connected to the Josephson junction terminals, and a current source with a digital current meter connected in series is cooled. SIS-type Josephson junction down to a temperature below the critical one, characterized in that with the help of a current source an electrical signal is formed, which is a sequence consisting of n current pulses with rising sections, within the positive part of the rising sections of each of the n current pulses at regular intervals synchronously measure the voltage values at the SIS-type Josephson junction and the current flowing through it, hereinafter referred to as readings, the values of the voltage and current readings are transmitted to the digital signal processing device, in the digital signal processing device signal processing sequentially compares the values of voltage readings obtained in the rising sections of each k -th of n current pulses with a threshold voltage value, determines the values of neighboring synchronous current readings

And

, corresponding to the first exceeding the threshold value by voltage readings and the previous reading within the k -th pulse, determine the maximum value among all n current readings

, corresponding to the values of the voltage samples preceding the threshold exceeding within each k -th of n pulses, determine the minimum value among all n current samples

, corresponding to the values of the voltage readings, the first to exceed the threshold value within each k -th of n pulses, find the critical current value equal to the average value between the obtained maximum and minimum current values.

При этом импульсы тока, формируемые при помощи источника тока имеют форму, содержащую нарастающие участки (например, несимметричную треугольную форму, либо симметричную треугольную форму, либо форму синусоиды) в диапазоне от 0 до значения, заведомо превосходящее ожидаемое критическое значение тока. Крутизна нарастания тока выбирается исходя из того, что в пределах нарастающего участка должно укладываться достаточно большое число отсчетов, от которого зависит погрешность измерения. Как правило, это число отсчетов должно быть не меньше 50. In this case, the current pulses generated using the current source have a shape containing growing sections (for example, an asymmetric triangular shape, or a symmetrical triangular shape, or a sinusoidal shape) in the range from 0 to a value that obviously exceeds the expected critical current value. The steepness of the current rise is chosen based on the fact that a sufficiently large number of readings should fit within the growing section, on which the measurement error depends. As a rule, this number of samples should not be less than 50.

Пороговое значение напряжения выбирается в 4-6 раз большим среднеквадратического значения отсчетов напряжения, предшествующих отсчету напряжения, сравниваемому с порогом.The threshold voltage value is selected to be 4-6 times greater than the rms value of the voltage samples preceding the voltage sample being compared with the threshold.

Предложенный способ реализуется в системе прецизионного измерения критического тока джозефсоновского перехода SIS-типа, содержащей источник тока, цифровой измеритель тока, включенные последовательно с джозефсоновским переходом, цифровой измеритель напряжения, входные выводы которого подключены к контактам джозефсоновского перехода, отличающейся тем, что источник тока выполнен с возможностью формирования сигнала, представляющего собой последовательность, состоящую из n импульсов тока с нарастающими участками, измерители тока и напряжения имеют цифровые выходы и выполнены с возможностью подключения джозефсоновского перехода SIS-типа, размещенного в рефрижераторе при температуре ниже критической, дополнительно введено устройство цифровой обработки сигналов, поступающих с выходов измерителя тока и измерителя напряжения, выполненное с возможностью выдачи сигнала управления источником тока и сигнала синхронизации цифровых измерителей тока и напряжения последовательного, а также с возможностью сравнения значений отсчетов напряжения, полученных на нарастающих участках каждого k-го из n импульсов тока, с пороговым значением напряжения, определения значений соседних синхронных отсчетов тока

и

, соответствующих первому в пределах k-го импульса превышению порогового значения отсчетами напряжений и предшествующему ему отсчету, определения максимального значения среди всех n отсчетов тока

, соответствующих значениям отсчетов напряжения, предшествующих превышению порога в пределах каждого k-го из n импульсов, определения минимального значения среди всех n отсчетов тока

, соответствующих значениям отсчетов напряжения, первыми превысивших пороговое значение в пределах каждого k-го из n импульсов, нахождения значения критического тока, равного среднему значению между полученными максимальным и минимальным значениями тока.The proposed method is implemented in a system for precise measurement of the critical current of the Josephson junction of the SIS type, containing a current source, a digital current meter connected in series with the Josephson junction, a digital voltage meter, the input terminals of which are connected to the contacts of the Josephson junction, characterized in that the current source is made with the possibility of generating a signal, which is a sequence consisting of n current pulses with increasing sections, current and voltage meters have digital outputs and are made with the ability to connect a Josephson junction of the SIS type, located in a refrigerator at a temperature below the critical one, an additional digital signal processing device has been introduced, coming from the outputs of the current meter and voltage meter, made with the possibility of issuing a signal for controlling the current source and a synchronization signal for digital current and voltage meters in series, as well as with the possibility comparison of the values of voltage readings obtained in the rising sections of each k -th of n current pulses with a threshold voltage value, determining the values of neighboring synchronous current readings

And

, corresponding to the first exceeding the threshold value by voltage readings and the previous reading within the k -th pulse, determining the maximum value among all n current readings

, corresponding to the values of voltage samples preceding the threshold exceeding within each k -th of n pulses, determining the minimum value among all n current samples

, corresponding to the values of the voltage readings that were the first to exceed the threshold value within each k -th of n pulses, finding the critical current value equal to the average value between the obtained maximum and minimum current values.

При этом импульсы тока на выходе источника тока могут быть либо несимметричной треугольной формы, либо симметричной треугольной формы, либо иметь форму синусоиды. Также импульсы тока имеют нарастающие участки в диапазоне от 0 до значения, заведомо превышающего возможное значение критического тока.In this case, the current pulses at the output of the current source can be either an asymmetric triangular shape, or a symmetrical triangular shape, or have the shape of a sinusoid. Also, the current pulses have growing segments in the range from 0 to a value obviously exceeding the possible value of the critical current.

В устройстве цифровой обработки поступающих с выходов измерителя тока и измерителя напряжения сигналов устанавливается пороговое значение напряжения, которое в 4-6 раз больше среднеквадратического значения отсчетов напряжения, предшествующих отсчету напряжения, сравниваемому с порогом.In the device for digital processing of the signals coming from the outputs of the current meter and the voltage meter, the threshold voltage value is set, which is 4-6 times greater than the root mean square value of the voltage readings preceding the voltage reading compared with the threshold.

Сущность изобретения раскрывается на чертежах фиг. 1-4.The essence of the invention is disclosed in the drawings of FIG. 1-4.

На фиг. 1 показана типовая идеальная (в отсутствие шумов) ВАХ для джозефсоновского перехода SIS-типа (сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник). I _c означает критический ток.In FIG. Figure 1 shows a typical ideal (in the absence of noise) CVC for a Josephson junction of the SIS type (superconductor-insulator-superconductor). I _c means critical current.

На фиг. 2 показана структура автоматизированной системы измерения критического тока джозефсоновских переходов SIS-типа, при этомIn FIG. 2 shows the structure of an automated system for measuring the critical current of Josephson junctions of the SIS type, while

1 – источник тока;1 – current source;

2 – цифровой измеритель тока;2 – digital current meter;

3 – цифровой измеритель напряжения;3 – digital voltage meter;

4 – устройство цифровой обработки сигналов с возможностью выдачи сигнала управления источником тока и сигнала синхронизации цифровых измерителей тока и напряжения;4 – digital signal processing device with the possibility of issuing a current source control signal and a synchronization signal for digital current and voltage meters;

5– джозефсоновский переход SIS-типа.5 – SIS-type Josephson junction.

На фиг. 3 показаны синхронные временные диаграммы импульса тока треугольной формы и напряжения на джозефсоновском переходе SIS-типа. На фиг. 4 показаны синхронные отсчеты тока и напряжения в окрестности критического тока. При этом на фиг. 3 и фиг. 4 приняты следующие обозначения: Ic – критический ток; П – пороговое значение напряжения.In FIG. 3 shows the synchronous timing diagrams of a triangular waveform current pulse and a SIS-type Josephson junction voltage. In FIG. 4 shows synchronous readings of current and voltage in the vicinity of the critical current. Meanwhile, in FIG. 3 and FIG. 4 the following designations are accepted: Ic – critical current; P is the threshold value of the voltage.

На фиг. 5 приведен пример промышленно применимой реализации заявляемого способа и реализующей его системы измерения критического тока джозефсоновских переходов SIS-типа, при этомIn FIG. 5 shows an example of an industrially applicable implementation of the proposed method and a system that implements it for measuring the critical current of Josephson junctions of the SIS type, while

1 – лабораторный источник тока Keithley 6220;1 – Keithley 6220 laboratory current source;

2 – цифровой измеритель тока, выполненный на базе токоизмерительного шунта R, инструментального усилителя INA849 и первого канала системного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) PXI-5124;2 – digital current meter based on current-measuring shunt R, instrumental amplifier INA849 and the first channel of the system analog-to-digital converter (ADC) PXI-5124;

3 – цифровой измеритель напряжения, выполненный на базе инструментального усилителя INA849 и второго канала системного АЦП PXI-5124;3 – digital voltage meter based on the INA849 instrumental amplifier and the second channel of the PXI-5124 system ADC;

4 – устройство цифровой обработки сигналов с возможностью выдачи сигнала управления источником тока и сигнала синхронизации цифровых измерителей тока и напряжения на базе контроллера PXI-e 8133;4 - digital signal processing device with the ability to issue a control signal for the current source and a synchronization signal for digital current and voltage meters based on the PXI-e 8133 controller;

5 – джозефсоновский переход SIS-типа;5 – SIS-type Josephson junction;

6 – шасси PXI-1075.6 - chassis PXI-1075.

На фиг. 6 приведена блок-схема примера реализации алгоритма обработки в устройстве цифровой обработки сигналов.In FIG. 6 is a block diagram of an example implementation of a processing algorithm in a digital signal processing device.

Из фиг. 1 видно, что ВАХ джозефсоновского перехода SIS-типа характеризуется гистерезисом. При возрастании тока, протекающего через переход до момента достижения критического значения, переход находится в сверхпроводящем состоянии, и напряжение на нем остается равным нулю. При дальнейшем увеличении тока переход скачком выходит из сверхпроводящего состояния, и на нем также скачком появляется напряжение, равное щелевому напряжению

, значительно отличающемуся от нуля. Для того, чтобы джозефсоновский переход SIS-типа снова вернулся в сверхпроводящее состояние, протекающий через него ток необходимо уменьшить до нуля. Это свойство джозефсоновского перехода SIS-типа используется в предложенном способе для измерения значения критического тока, которое может находиться между соседними отсчетами тока соответственно до и после скачка напряжения на джозефсоновском переходе SIS-типа.From FIG. 1 shows that the CVC of the Josephson junction of the SIS type is characterized by hysteresis. As the current flowing through the junction increases until the critical value is reached, the junction is in the superconducting state, and the voltage across it remains zero. With a further increase in current, the junction abruptly leaves the superconducting state, and a voltage equal to the gap voltage also appears abruptly on it.

, which is significantly different from zero. In order for the Josephson junction of the SIS type to return to the superconducting state again, the current flowing through it must be reduced to zero. This property of the SIS-type Josephson junction is used in the proposed method to measure the critical current value that can be between adjacent current samples, respectively, before and after the SIS-type Josephson junction surge.

Система прецизионного измерения критического тока джозефсоновского перехода SIS-типа (фиг. 2), реализующая предложенный способ, содержит источник тока 1, цифровой измеритель тока 2, цифровой измеритель напряжения 3, устройство цифровой обработки сигналов 4 с возможностью синхронизации и управления.The system for precision measurement of the critical current of the SIS-type Josephson junction (Fig. 2), which implements the proposed method, contains a current source 1, a digital current meter 2, a digital voltage meter 3, a digital signal processing device 4 with the possibility of synchronization and control.

Источник тока 1 по сигналу синхронизации и управления устройства цифровой обработки сигналов 4 формирует последовательность, состоящую из n импульсов тока с заданной длительностью нарастающих участков, измерители тока 2 и напряжения 3 с заданным периодом дискретизации синхронно формируют векторы отсчетов тока и напряжения на джозефсоновском переходе 5, размещенном в рефрижераторе при температуре ниже критической, и передают их в устройство цифровой обработки сигналов 4. Устройство цифровой обработки сигналов 4 последовательно производит сравнивнение значений отсчетов напряжения, полученных на нарастающих участках каждого k-го из n импульсов тока, с пороговым значением напряжения, определяет номер отсчета

, соответствующий первому в пределах k-го импульса превышению порогового значения отсчетами напряжений. В силу того, что отсчеты напряжения и тока получены синхронно, отсчеты тока

будут соответствовать отсчету напряжения

, а отсчет

является предыдущим относительно

отсчетом.The current source 1, according to the synchronization and control signal of the digital signal processing device 4, forms a sequence consisting of n current pulses with a given duration of rising sections, current meters 2 and voltage 3 with a given sampling period synchronously form vectors of current and voltage readings at the Josephson junction 5, placed in the refrigerator at a temperature below the critical one, and transfer them to the digital signal processing device 4. The digital signal processing device 4 sequentially compares the values of the voltage readings obtained in the rising sections of each k -th of n current pulses with the threshold voltage value, determines the number of the reading

, corresponding to the first exceeding the threshold value by voltage readings within the k -th pulse. Due to the fact that the voltage and current readings are received synchronously, the current readings

will correspond to the voltage reading

, and counting

is the previous relative

countdown.

После того, как значения

,

определены для всех n импульсов, устройство цифровой обработки сигналов 4 определяет максимальное значение среди всех n отсчетов тока

и минимальное значение среди всех n отсчетов тока

и вычисляет значение критического тока как среднее значение между полученными максимальным и минимальным значениями тока.After the values

,

determined for all n pulses, DSP 4 determines the maximum value among all n current samples

and the minimum value among all n current samples

and calculates the critical current value as the average value between the received maximum and minimum current values.

Фиг. 3 и фиг. 4 поясняют данный процесс для симметричных импульсов треугольной формы. Из фиг. 3 видно, что момент выхода джозефсоновского перехода SIS-типа из сверхпроводящего состояния (момент превышения током, протекающего через переход, критического значения) совпадает с моментом, когда происходит скачок напряжения на переходе.Fig. 3 and FIG. 4 explain this process for symmetrical triangular pulses. From FIG. Figure 3 shows that the moment when the SIS-type Josephson junction exits the superconducting state (the moment when the current flowing through the junction exceeds the critical value) coincides with the moment when the voltage jump occurs at the junction.

Из фиг. 4 видно, что момент достижения током, протекающим через джозефсоновский переход SIS-типа, критического значения, может находиться между соседними отсчетами

,

(отсчеты № 219 и 220 на фиг. 3 и фиг. 4). В силу наличия случайной составляющей в результатах измерений значений отсчетов тока и напряжения для различных импульсов номера соответствующих отсчетов и значений

,

будут различаться. Выбирая максимальные значения среди всех

, минимальные значения среди всех

и принимая за результат измерения критического тока их среднее значение, мы обеспечиваем существенное снижение погрешности измерения.From FIG. 4 it can be seen that the moment of reaching the critical value by the current flowing through the Josephson junction of the SIS type can be between adjacent readings

,

(readings No. 219 and 220 in Fig. 3 and Fig. 4). Due to the presence of a random component in the measurement results of the current and voltage readings for different pulses, the numbers of the corresponding readings and values

,

will differ. Choosing the maximum values among all

, the minimum values among all

and taking their average value as the result of measuring the critical current, we provide a significant reduction in the measurement error.

Пример реализации системы прецизионного измерения критического тока джозефсоновского перехода SIS-типа, реализующей предложенный способ, показан на фиг. 5. Для реализации предложенного способа прецизионного измерения критического тока джозефсоновского перехода SIS-типа предлагается использовать промышленно выпускаемую аппаратуру.An example of the implementation of a system for precise measurement of the critical current of the Josephson junction of the SIS type, which implements the proposed method, is shown in Fig. 5. To implement the proposed method for precision measurement of the critical current of the SIS-type Josephson junction, it is proposed to use commercially available equipment.

Источник тока (1) может быть реализован, например, в виде лабораторного источника тока Keithley 6220.The current source (1) can be implemented, for example, in the form of a Keithley 6220 laboratory current source.

Цифровой измеритель тока (2) может быть реализован на базе токоизмерительного шунта R, инструментального усилителя INA849 и первого канала системного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) PXI-5124.The digital current meter (2) can be implemented on the basis of the current-measuring shunt R, instrumental amplifier INA849 and the first channel of the system analog-to-digital converter (ADC) PXI-5124.

Цифровой измеритель напряжения (3) может быть реализован на базе второго инструментального усилителя INA849 и второго канала системного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) PXI-5124The digital voltage meter (3) can be implemented on the basis of the second instrumental amplifier INA849 and the second channel of the system analog-to-digital converter (ADC) PXI-5124

Системный АЦП PXI-5124 позволяет синхронно регистрировать отсчеты напряжения U _R(t), равные

на токоизмерительном шунте с номиналом R, известным с заданной точностью, и напряжения

на контактах джозефсоновского перехода SIS-типа, где K _u – коэффициент усиления разностей напряжений на входах инструментальных усилителей INA849, предназначенных для согласования динамических диапазонов измеряемых сигналов и входных каналов системного АЦП PXI-5124. При этом коэффициент K _u усиления определяется диапазонами напряжений

и U _R(t) с учетом того, что минимальный диапазон напряжений на входах системного АЦП PXI-5124 составляет ±100мВ. Значение тока в момент времени t рассчитывается по формуле I(t) = U _R(t)/(RK _u) в устройстве цифровой обработки сигналов.The system ADC PXI-5124 allows you to synchronously register voltage readings U _R ( t ) equal to

on a current-measuring shunt with a rating R , known with a given accuracy, and voltage

on the contacts of the SIS-type Josephson junction, where K _u is the gain of the voltage differences at the inputs of the INA849 instrumental amplifiers, designed to match the dynamic ranges of the measured signals and the input channels of the PXI-5124 system ADC. In this case, the gain K _u is determined by the voltage ranges

and U _R ( t ) taking into account the fact that the minimum voltage range at the inputs of the PXI-5124 system ADC is ±100mV. The value of the current at time t is calculated by the formula I ( t ) = U _R ( t )/( RK _u ) in a digital signal processor.

Устройство цифровой обработки сигналов (4) может быть реализовано как на базе любой ЭВМ (персональный компьютер, ноутбук), так и на базе контроллера, например, PXI-e 8133 (PXI-контроллер), при этом системный АЦП PXI-5124 и PXI-контроллер могут быть размещены в одном шасси (6) PXI-1075, где они соединены между собой по системной шине, предназначенной для передачи результатов измерений в цифровом виде в память PXI-контроллера и сигналов синхронизации для системного АЦП. Управление и синхронизация источника тока осуществляется по локальной сети Ethernet.The digital signal processing device (4) can be implemented both on the basis of any computer (personal computer, laptop), and on the basis of a controller, for example, PXI-e 8133 (PXI-controller), while the system ADC PXI-5124 and PXI- the controller can be placed in one chassis (6) PXI-1075, where they are interconnected via a system bus designed to transfer measurement results in digital form to the PXI controller memory and synchronization signals for the system ADC. The current source is controlled and synchronized via the local Ethernet network.

Обработка сигналов в устройстве цифровой обработки сигналов (4) может быть реализована как аппаратным способом путем пропускания цифровых сигналов через соответствующие вычислительные блоки, реализованные на известной из уровня техники элементной базе, так и программным способом путем реализации алгоритма обработки (см. фиг. 6) в PXI-контроллере.Signal processing in the digital signal processing device (4) can be implemented both in hardware by passing digital signals through the corresponding computing units implemented on the element base known from the prior art, and in software by implementing the processing algorithm (see Fig. 6) in PXI controller.

Процедура измерения критического тока реального джозефсоновского перехода SIS-типа, реализующей предложенный способ с помощью системы, показанной на фиг. 5 была промоделирована на ЭВМ. Параметры для моделирования были приняты следующие:The procedure for measuring the critical current of a real SIS-type Josephson junction implementing the proposed method using the system shown in FIG. 5 was simulated on a computer. The parameters for the simulation were taken as follows:

критический ток Ic=1,8 мкА;critical current Ic \u003d 1.8 μA;

временной интервал между соседними отсчетами тока и напряжения

мкс;time interval between adjacent readings of current and voltage

µs;

среднеквадратическая погрешность измерителя тока

нА;rms error of the current meter

on the;

среднеквадратическая погрешность измерителя напряжения

мкВ;rms error of the voltage meter

µV;

среднеквадратическое отклонение шумовой составляющей источника тока

мкА;standard deviation of the noise component of the current source

uA;

форма импульса тока – симметричная треугольная;the shape of the current pulse is symmetrical triangular;

длительность импульса тока

мс;current pulse duration

ms;

период следования импульсов

мс;pulse period

ms;

амплитуда импульса тока

мкА;current pulse amplitude

uA;

количество импульсов в последовательности

и

;number of pulses in sequence

And

;

количество циклов моделирования – 10000 испытаний.the number of simulation cycles is 10,000 tests.

В результате моделирования были получены следующие значения погрешности измерения значения критического тока:As a result of the simulation, the following values of the measurement error of the critical current value were obtained:

Количество импульсов n тока в последовательностиNumber of current pulses n in sequence Систематическая погрешность измерения Ic, %Systematic measurement error Ic , % Среднеквадра-тическая погрешность измерения Ic, %RMS measurement error Ic , % Общая погрешность измерения Ic, %Total measurement error Ic , % 5050 0,030.03 0,210.21 0,2120.212 100100 0,0120.012 0,13180.1318 0,13240.1324

Claims

1. A method for precision measurement of the critical current of the SIS-type Josephson junction, which consists in placing the SIS-type Josephson junction in a refrigerator, connecting a digital voltage meter and a current source with a series-connected digital current meter to the Josephson junction terminals, cooling the SIS-Josephson junction type to a temperature below the critical,

characterized in that

using a current source, an electrical signal is formed, which is a sequence consisting of n current pulses with increasing sections,

within the positive part of the growing sections of each of the n current pulses, at regular intervals, the values of the voltage at the SIS-type Josephson junction and the current flowing through it are synchronously measured, hereinafter called readings,

the values of the voltage and current readings are transmitted to the digital signal processing device,

in the digital signal processing device, the values of the voltage readings obtained in the rising sections of each k -th of n current pulses are sequentially compared with the threshold voltage value,

determine the values of neighboring synchronous current readings

And

, corresponding to the first exceeding of the threshold value by voltage readings within the k -th pulse and the previous reading,

determine the maximum value among all n current samples

, corresponding to the values of the voltage readings preceding the exceeding of the threshold within each k -th of n pulses,

determine the minimum value among all n current samples

, corresponding to the values of the voltage samples that were the first to exceed the threshold value within each k -th of n pulses,

find the value of the critical current, equal to the average value between the obtained maximum and minimum current values.

2. The method according to claim 1, characterized in that the current pulses generated by the current source have either an asymmetric triangular shape, or a symmetrical triangular shape, or a sinusoidal shape, and also have growing sections in the range from 0 to a value that obviously exceeds possible value of the critical current.

3. The method according to claim 1, characterized in that the threshold voltage value is selected to be 4-6 times greater than the rms value of the voltage samples preceding the voltage sample being compared with the threshold.

4. The system for precision measurement of the critical current of the Josephson junction of the SIS type for implementing the method according to claim 1, containing a current source, a current meter connected in series with the Josephson junction, and a voltage meter, the input terminals of which are connected to the contacts of the Josephson junction, characterized in that the current source is configured to generate a signal, which is a sequence consisting of n current pulses with increasing sections, current and voltage meters have digital outputs and are configured to connect a SIS-type Josephson junction located in a refrigerator at a temperature below the critical one, an additional device digital processing of signals coming from the outputs of the current meter and voltage meter, configured to issue a control signal to the current source and a synchronization signal of digital current and voltage meters, and also configured to sequentially inputting the values of voltage readings obtained in the rising sections of each k -th of n current pulses, with a threshold voltage value, determining the values of neighboring synchronous current readings

And

5. The precision measurement system according to claim 4, characterized in that the current source is configured to generate current pulses having either an asymmetric triangular shape, or a symmetrical triangular shape, or a sinusoidal shape, and also having growing sections in the range from 0 to a value, obviously exceeding the possible value of the critical current.

6. The precision measurement system according to claim 4, characterized in that in the device for digital processing of the signals coming from the outputs of the current meter and the voltage meter, a threshold voltage value is set, which is 4-6 times greater than the root mean square value of the voltage readings preceding the voltage reading compared with threshold.