RU2592735C1 - Fluxon ballistic detector - Google Patents
Fluxon ballistic detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2592735C1 RU2592735C1 RU2015107040/28A RU2015107040A RU2592735C1 RU 2592735 C1 RU2592735 C1 RU 2592735C1 RU 2015107040/28 A RU2015107040/28 A RU 2015107040/28A RU 2015107040 A RU2015107040 A RU 2015107040A RU 2592735 C1 RU2592735 C1 RU 2592735C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- superconducting
- detector
- quantum
- josephson
- detector according
- Prior art date
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 18
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 14
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010955 niobium Substances 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
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 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
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 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
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 abstract description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 17
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 238000000226 double patterning lithography Methods 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 4
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 description 3
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 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
- CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N azanylidyneniobium Chemical compound [Nb]#N CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging 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
- 150000002605 large molecules Chemical class 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 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
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor 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
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к криогенной электронике и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах (в том числе и квантовых) для измерения слабых магнитных потоков (менее 0,1 кванта магнитного потока).The invention relates to cryogenic electronics and can be used in measurement technology, radio engineering and information systems (including quantum ones) for measuring weak magnetic fluxes (less than 0.1 quantum of magnetic flux).
Устройства с джозефсоновскими контактами давно используются для детектирования слабых магнитных полей. 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.Devices with Josephson contacts have long been used to detect weak magnetic fields. Particularly actively used for these purposes are systems based on superconducting quantum interferometers (SQUIDs), which have high sensitivity and low noise temperature, are compatible with other superconducting devices. SQUID is a superconducting ring containing one or two Josephson junctions; it has matching and measuring devices.
Развитие современных технологий поставило задачу по созданию на основе СКВИД-структур детекторов, способных фиксировать магнитные поля от наноразмерных объектов и крупных молекул. Описан магнетометр для детектирования таких сигналов на основе СКВИДа с двумя сверхпроводящими кольцами (US 7863892 В2 7.10.2005 Gavin W. Morley, Ling Нао, John С. Mcfarlane) для увеличения чувствительности при работе с объектами исследования малых размеров. Также описан метод создания наноразмерного СКВИДа (US 20100097056 Al, 25.08.2006). Недостатком таких систем является ее сильное обратное влияние на объект исследования и невозможность реализации «быстрых» и неразрушающих измерений состояний квантовых объектов.The development of modern technologies has set the task of creating detectors based on SQUID structures that can capture magnetic fields from nanoscale objects and large molecules. A magnetometer is described for detecting such signals based on a SQUID with two superconducting rings (US 7863892 B2; October 7, 2005; Gavin W. Morley, Ling Nao, John C. Mcfarlane) to increase sensitivity when working with objects of research of small sizes. Also described is a method of creating a nanoscale SQUID (US 20100097056 Al, 08.25.2006). The disadvantage of such systems is its strong inverse effect on the object of study and the impossibility of implementing “fast” and non-destructive measurements of the states of quantum objects.
Описаны различные конструкции и схемотехнические решения сверхпроводниковых усилителей СВЧ-диапазона, использующих преобразование магнитного сигнала в отклик напряжения. 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).Various designs and circuit designs for microwave superconducting amplifiers using the conversion of a magnetic signal into a voltage response are described. In particular, a schematic of a matched SQUID amplifier with a load for a range up to 0.1 GHz is described (JP S60247311, Noguchi, 12/07/1985). An amplifier / converter using this principle at a frequency of 100 MHz showed a gain of about 20 dB with a noise temperature of 1 ± 0.4 K when using an input device made on a coaxial cable (see US 4,585,999, Hilbert et al. 04/29/1986 )
Принципы согласования входных и выходных цепей усилителя на СКВИД с нагрузкой подробно исследованы для диапазона до 0,1 ГГЦ (JP 60247311, Noguchi, оп. 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. В другом устройстве на низкотемпературном (4,2 К) СКВИДе реализован магниторезистивный принцип усиления на выходе СКВИДа, обеспечивающий измерение малых токов, напряжений или магнитных полей, без систем обратной связи и шумоподавления, но в описании отсутствуют указания на возможность использования в интересующем диапазоне частот (DE 4003060, Berthel et al., 08.08.1991).The principles of matching the input and output circuits of an SQUID amplifier with a load have been studied in detail for a range of up to 0.1 GHz (JP 60247311, Noguchi, op. 07.12.1985). The invention (JP 1245605, Takami et al., September 29, 1989) describes a DC-SQUID magnetic signal amplifier-converter in which a second SQUID is used as an adjustable inductive element of the matching circuit to electrically match the interferometer with a cooled preamplifier. In another device using a low-temperature (4.2 K) SQUID, the magnetoresistive principle of amplification at the SQUID output is implemented, which provides measurement of low currents, voltages, or magnetic fields, without feedback and noise reduction systems, but the description does not indicate the possibility of use in the frequency range of interest ( DE 4003060, Berthel et al., 08/08/1991).
Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования магнитного сигнала в напряжения для устройств на одиночном низкотемпературном СКВИДе недостаточны для современных высокочастотных приложений (причем нужно помнить, что рабочий диапазон частот измерительной системы связан с доступным временным разрешением устройства). Существующий уровень диссипации энергии и обратного влияния на исследуемый объект в процессе функционирования делают невозможным использование таких устройств в системах считывания в квантовых устройствах обработки информации.However, both the operating frequency range and the linearity of the conversion of the magnetic signal into voltages for devices with a single low-temperature SQUID are insufficient for modern high-frequency applications (it must be remembered that the operating frequency range of the measuring system is associated with the available time resolution of the device). The existing level of energy dissipation and reverse influence on the object under study during operation makes it impossible to use such devices in reading systems in quantum information processing devices.
В изобретении (US 2005231196, Tarutani, Yoshunobu) описан усилитель на последовательной цепочке СКВИДов, позволяющий использовать в качестве источника питания источник постоянного тока и занимающий малую площадь. Подобные усилители могут использоваться, например, в чувствительных системах для парамагнитно-резонансной томографии (US 8179135, 15.05.2012, Hahn I. et al.), a также в качестве входного блока сверхпроводниковых аналого-цифровых преобразователей (US 7928875, Kirichenko, 19.04.2011). Однако такое устройство усилителя позволяет достичь лишь относительно малую линейность усиления сигнала.The invention (US 2005231196, Tarutani, Yoshunobu) describes an amplifier based on a sequential SQUID chain, which makes it possible to use a direct current source and occupying a small area as a power source. Such amplifiers can be used, for example, in sensitive systems for paramagnetic resonance imaging (US 8179135, 05.15.2012, Hahn I. et al.), And also as an input unit of superconducting analog-to-digital converters (US 7928875, Kirichenko, 19.04. 2011). However, such an amplifier device allows only a relatively small linear gain of the signal to be achieved.
Для увеличения линейности вольт-потокового преобразования систем на основе СКВИДов в изобретении (KR 100774615 (В1), 2007.11.12, патент-аналог US 7453263 (В2), Jin-Mok Kim et al.) предложена специальная схема обратной связи, содержащая дополнительный джозефсоновский переход, однако предложенный метод увеличения усилителя на основе СКВИДа существенно ограничивает максимальную рабочую частоту и, соответственно, уменьшает временное разрешение для использующего этот принцип детектора.To increase the linearity of the current-voltage conversion of SQUID-based systems in the invention (KR 100774615 (B1), 2007.11.12, patent analogue US 7453263 (B2), Jin-Mok Kim et al.) A special feedback scheme is proposed containing an additional Josephson transition, however, the proposed method for increasing the amplifier based on SQUID significantly limits the maximum operating frequency and, accordingly, reduces the time resolution for a detector using this principle.
Возможно также использование СКВИДа в качестве перестраиваемого элемента колебательного контура параметрического усилителя (JP 2009225213 (А), 2009.10.01, NEC CORP). Однако характерная рабочая частота такого усилителя будет определяться параметрами колебательного контура, т.е. будет заметно меньше 1 ГГц. Также необходимо отметить такой недостаток, как невозможность реализации на основе такого принципа «краткодействующих» минимально-возмущающих измерений магнитного момента квантовых систем, представляющих на сегодняшний день серьезный практический интерес.It is also possible to use SQUID as a tunable element of the oscillatory circuit of a parametric amplifier (JP 2009225213 (A), 2009.10.01, NEC CORP). However, the characteristic operating frequency of such an amplifier will be determined by the parameters of the oscillatory circuit, i.e. will be noticeably less than 1 GHz. It is also necessary to note such a drawback as the impossibility of implementing, on the basis of such a principle, "short-range" minimally disturbing measurements of the magnetic moment of quantum systems, which are of serious practical interest today.
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, 27.03.20006 Tarutani), однако такие усилители пригодны лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала.Amplifier drivers have been proposed for the GHz range (up to tens of GHz) based on SQUID chains divided into pairs isolated from the ground to reduce stray capacitances in the system (US 6486756, 03.03.20006 Tarutani), however, such amplifiers are suitable only for digital applications and cannot be used to amplify an analog signal.
Еще одним примером усилителя сигналов быстрой одноквантовой (БОК) логики, преобразующего их на выходе в импульсы напряжения достаточной для использования полупроводниковой электроникой величины, является изобретение (US 6917216, 11.04.2003, Herr Quentin), работающее на разделении и переотражении выходного БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения. Но это предложение опять же рассчитано исключительно на применения в цифровых устройствах и требует для использования в детекторах сверхслабых сигналов сопряжения с качественным аналоговым «приемным устройством».Another example of a signal amplifier of fast single-quantum (SQF) logic, converting them at the output into voltage pulses of sufficient magnitude for use by semiconductor electronics, is an invention (US 6917216, 04/11/2003, Herr Quentin), working on the separation and re-reflection of the output SQF pulse for obtaining sufficient values of the output voltage pulses. But this proposal, again, is designed exclusively for use in digital devices and requires ultra-weak signal pairing with a high-quality analog “receiving device” for use in detectors.
В заявке (WO 2012123642 (A1), Pertti Hakonen и др., 20.09.2012) описан низкошумящий усилитель с чувствительностью, близкой к квантовому пределу. В основу принципа работы этого усилителя положено использование одного джозефсоновского перехода, шунтированного за счет параллельно соединенного с ним реактивного импеданса. Недостатком такого подхода является слабое усиление, невысокая линейность, низкая температура насыщения получившегося усилителя, который, к тому же, крайне сложно сделать достаточно миниатюрным.The application (WO 2012123642 (A1), Pertti Hakonen et al., September 20, 2012) describes a low noise amplifier with a sensitivity close to the quantum limit. The principle of operation of this amplifier is based on the use of one Josephson junction, shunted due to the reactive impedance connected in parallel with it. The disadvantage of this approach is the weak gain, low linearity, low saturation temperature of the resulting amplifier, which, moreover, is extremely difficult to make quite miniature.
Следует обратить внимание на публикации, посвященные изложению теоретических подходов к описанию принципов функционирования джозефсоновских баллистических детекторов, применимых в том числе и в квантовых системах обработки информации. В частности, описано экспериментальное измерение поворота примерно 1000 электронных спинов при помощи СКВИДа с размером сверхпроводящей петли менее 1 мкм (Jamet M., Wernsdorfer W., Thirion C. et al. // Physical Review Letters 2001. 86. P. 4676).Attention should be paid to publications devoted to the presentation of theoretical approaches to the description of the principles of operation of Josephson ballistic detectors, which are also applicable in quantum information processing systems. In particular, an experimental measurement of the rotation of approximately 1000 electron spins using SQUID with a superconducting loop size of less than 1 μm is described (Jamet M., Wernsdorfer W., Thirion C. et al. // Physical Review Letters 2001. 86. P. 4676).
Схема баллистического детектора, предложенного в работах ряда авторов (Averin D.V., Rabenstein К., and Semenov V.К. // Phys. Rev. В. 2006.73, P. 094504; Herr Α., Fedorov Α., Shnirman A. et al. // Supercond. Sci. Technol. 2007. 20, P. 450), схожа с оптическим интерферометром, одно плечо которого слабо взаимодействует с измеряемым объектом (например, квантовой системой). «Плечами» интерферометра являются две джозефсоновские передающие линии (ДПЛ), которые представляют собой распределенные джозефсоновские переходы, по каждому из которых распространяется флаксон. Взаимодействие с измеряемым объектом приводит к ускорению или замедлению флаксона в одной из ДПЛ. Таким образом, информация о состоянии квантовой системы переводится во временную задержку между выходами флаксонов из ДПЛ детектора, которая затем считывается. Недостатком предложенной ранее схемы баллистического детектора с точки зрения максимизации SNR является использование дополнительной референсной линии, приводящее к увеличению внутренних шумов детектора. Также к недостаткам можно отнести противоположное влияние полюсов токового диполя на флаксон. Это взаимообратное влияние приводит к существенному уменьшению сигнала. В качестве модификации схемы можно предложить эффективное расщепление диполя на монополи, для реализации которого ДПЛ проводится от генератора одноквантовых импульсов к середине диполя и разветвляется на 2 ветви, каждая из которых продолжается в сторону одного из монополей. В этом случае изначальный одноквантовый импульс генерирует два импульса в точке ветвления по одному в каждую ветвь. Образовавшиеся синхронно импульсы взаимодействуют каждый с одним из монополей, ускоряясь или замедляясь в соответствии с его направлением, после чего взаимная временная задержка детектируется на схеме сравнения.Schematic of a ballistic detector proposed by a number of authors (Averin DV, Rabenstein K., and Semenov V.K. // Phys. Rev. V. 2006.73, P. 094504; Herr Α., Fedorov Α., Shnirman A. et al . // Supercond. Sci. Technol. 2007. 20, P. 450), similar to an optical interferometer, one arm of which weakly interacts with the measured object (for example, a quantum system). The “shoulders” of the interferometer are two Josephson transmission lines (LTP), which are distributed Josephson junctions, each of which contains a flaxon. Interaction with the measured object leads to the acceleration or deceleration of the vial in one of the DPL. Thus, information about the state of the quantum system is translated into a time delay between the outputs of the phials from the DPL of the detector, which is then read. The disadvantage of the previously proposed ballistic detector circuit from the point of view of maximizing SNR is the use of an additional reference line, which leads to an increase in the internal noise of the detector. The disadvantages include the opposite effect of the poles of the current dipole on the flaxon. This reciprocal effect leads to a significant decrease in the signal. As a modification of the scheme, it is possible to propose an effective splitting of a dipole into monopoles, for the implementation of which a DPL is carried out from a single-quantum pulse generator to the middle of the dipole and branches into 2 branches, each of which continues towards one of the monopoles. In this case, the initial single-quantum pulse generates two pulses at the branch point, one in each branch. Pulses formed synchronously each interact with one of the monopoles, accelerating or decelerating in accordance with its direction, after which the mutual time delay is detected in the comparison circuit.
В экспериментах (Fedorov К.G., Shcherbakova Α.V., Schaefer R. et al. // Applied Physics Letters 2013, 102, P. 132602) использовалась одиночная кольцевая ДПЛ и измерялось отклонение циклической частоты вращения флаксона. К недостаткам этого подхода необходимо отнести невозможность осуществления «краткодействующих» минимально-возмущающих измерений магнитного момента квантовых систем, а также то, что продемонстрированное в измерениях отсутствие зависимости отклонения частоты детектора от знака измеряемого поля (полярности индуцированного токового диполя) приводит к невозможности различения квантовых состояний объекта исследований.In the experiments (Fedorov K.G., Shcherbakova Α.V., Schaefer R. et al. // Applied Physics Letters 2013, 102, P. 132602), a single ring DPL was used and the deviation of the cyclic frequency of rotation of the fluxon was measured. The disadvantages of this approach include the impossibility of performing “short-range” minimally disturbing measurements of the magnetic moment of quantum systems, as well as the fact that the absence of a dependence of the deviation of the detector frequency on the sign of the measured field (polarity of the induced current dipole) demonstrated in the measurements makes it impossible to distinguish the quantum states of the object research.
Заявляемое изобретение лишено указанных недостатков и позволяет реализовать измерение сверхслабых сигналов за счет воздействия магнитного поля от объекта исследования на баллистическую динамику флаксона одновременно в двух джозефсоновских передающих линиях.The claimed invention is devoid of these drawbacks and allows for the measurement of super-weak signals due to the influence of the magnetic field from the object of study on the ballistic dynamics of the phaxon simultaneously in two Josephson transmission lines.
Заявляемый флаксонный баллистический детектор включает генератор одноквантовых импульсов, приемник одноквантовых импульсов со схемой сравнения, две джозефсоновские передающие линии, соединяющие генератор и приемник, соединенные сверхпроводящей перемычкой, связанной магнитным образом с объектом исследования.The inventive flux ballistic detector includes a single-quantum pulse generator, a single-quantum pulse receiver with a comparison circuit, two Josephson transmission lines connecting the generator and the receiver, connected by a superconducting jumper magnetically coupled to the object under study.
Отличие от известных ранее джозефсоновских баллистических детекторов состоит в том, что джозефсоновские передающие линии выполнены каждая в виде слоистой тонкопленочной структуры, содержащей: нанесенный на подложку нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора, причем обе джозефсоновские передающие линии соединены как общей «землей», так и связанной магнитным образом с объектом исследования сверхпроводящей перемычкой.The difference from previously known Josephson ballistic detectors is that the Josephson transmission lines are each made in the form of a layered thin-film structure, comprising: a lower superconducting electrode deposited on a substrate, an insulator layer deposited on a lower superconducting electrode, an insulating top superconducting electrode deposited on an insulator layer moreover, both Josephson transmission lines are connected both by a common “ground” and magnetically coupled to the object of study of superconducting her jumper.
Детектор может характеризоваться еще и тем, что джозефсоновские передающие линии выполнены каждая в виде цепочки соединенных сверхпроводящими соединительными линиями слоистых тонкопленочных структур, содержащих: нанесенный на подложку нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.The detector can also be characterized in that the Josephson transmission lines are each made up of a chain of layered thin-film structures connected by superconducting connecting lines, comprising: a lower superconducting electrode deposited on a substrate, an insulator layer deposited on a lower superconducting electrode, and an upper superconducting electrode with current leads applied to the layer insulator.
Детектор может характеризоваться еще и тем, что в качестве материала сверхпроводящей перемычки, нижнего и верхнего сверхпроводящего электрода, сверхпроводящих соединительных линий использован ниобий, алюминий или сплав на основе этих металлов.The detector can also be characterized in that niobium, aluminum, or an alloy based on these metals are used as the material of the superconducting jumper, the lower and upper superconducting electrodes, and superconducting connecting lines.
Детектор может характеризоваться еще и тем, что в качестве материала слоя изолятора использован оксид алюминия Al2O3.The detector can also be characterized in that alumina Al 2 O 3 is used as the material of the insulator layer.
Детектор может характеризоваться еще и тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет 50-500 нм, толщина слоя изолятора составляет 1-20 нм.The detector can also be characterized by the fact that the thickness of the lower superconducting electrode and the upper superconducting electrode is 50-500 nm, the thickness of the insulator layer is 1-20 nm.
Технический результат изобретения состоит в увеличении соотношения сигнал/шум по сравнению с предыдущими топологиями джозефсоновского баллистического детектора. Дополнительный технический результат состоит в уменьшении обратного влияния детектора на объект исследований, что особенно важно для применения в устройствах обработки квантовой информации.The technical result of the invention consists in increasing the signal-to-noise ratio in comparison with the previous topologies of the Josephson ballistic detector. An additional technical result is to reduce the inverse effect of the detector on the object of research, which is especially important for use in quantum information processing devices.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 изображена интерферометрическая симметризованная схема детектора. Квадрат G обозначает генератор одноквантовых импульсов (флаксонов), Q - объект исследований (в том числе имеющий квантовую природу), С - приемник одноквантовых импульсов со схемой сравнения (компаратором).In FIG. 1 shows a symmetric interferometric detector circuit. The square G denotes the generator of single-quantum pulses (phaxons), Q - the object of research (including having a quantum nature), C - receiver of single-quantum pulses with a comparison circuit (comparator).
На фиг. 2 представлена схема поперечного сечения двух длинных (размер больше джозефсоновской длины λJ джозефсоновских переходов (используемых в качестве двух ДПЛ, образующих интерферометрическую схему), связанных с объектом исследований предложенным симметричным образом, причем S здесь обозначает сверхпроводник, I - изолятор, черные стрелки показывают направление течения тока, индуцированного магнитным полем объекта исследования, красные стрелки - направления распространения флаксонов.In FIG. Figure 2 shows a cross-sectional diagram of two long ones (the size is larger than the Josephson length λ J of the Josephson junctions (used as two DPLs forming an interferometric scheme) associated with the research object in the proposed symmetric manner, where S denotes a superconductor, I is an insulator, black arrows indicate the direction the current flow induced by the magnetic field of the object of study, the red arrows are the directions of propagation of the phaxons.
На фиг. 3 изображена джозефсоновская передающая линия, выполненная в виде цепочки из слоистых тонкопленочных структур, связанных сверхпроводящими соединительными линиями, при этом тонкопленочная структура содержит нанесенный на подложку нижний сверхпроводящий электрод, слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами.In FIG. 3 shows a Josephson transmission line made in the form of a chain of layered thin-film structures connected by superconducting connecting lines, the thin-film structure comprising a lower superconducting electrode deposited on a substrate, an insulator layer, an upper superconducting electrode with current leads.
На фиг. 4 представлена зависимость разницы между моментами выхода флаксонов из ДПЛ в приемник одноквантовых импульсов со схемой сравнения (компаратором) как функция нормированной величины тока задания рабочей точки, подводимого к верхним электродам джозефсоновских передающих линий для патентуемого флаксонного баллистического детектора (результаты аналитического и численного расчета 101 и 102) и предложенной ранее интерферометрической схемы без дополнительной симметризации (положительная и отрицательная полярности поля от объекта исследования 103 и 104).In FIG. Figure 4 shows the dependence of the difference between the moments of the output of the fluxons from the DPL into the single-quantum pulse receiver with a comparison circuit (comparator) as a function of the normalized value of the current for setting the operating point supplied to the upper electrodes of the Josephson transmission lines for the patented flax ballistic detector (results of analytical and
На фиг. 5 изображена зависимость отношения сигнал-шум как функция нормированной величины тока задания рабочей точки, подводимого к верхним электродам джозефсоновских передающих линий для патентуемого флаксонного баллистического детектора (результаты аналитического и численного расчета 101 и 102) и предложенной ранее интерферометрической схемы без дополнительной симметризации (положительная и отрицательная полярности поля от объекта исследования 103 и 104).In FIG. Figure 5 shows the dependence of the signal-to-noise ratio as a function of the normalized value of the current for setting the operating point supplied to the upper electrodes of the Josephson transmission lines for the patented flax ballistic detector (results of analytical and
На фиг. 6 приведена зависимость от времени магнитного потока, оказывающего обратное влияние на объект измерений, для патентуемого флаксонного баллистического детектора (107) и предложенной ранее интерферометрической схемы без дополнительной симметризации (отрицательная и положительная полярности поля от объекта исследования 105 и 106).In FIG. Figure 6 shows the time dependence of the magnetic flux, which has an inverse effect on the measurement object, for the patented flax ballistic detector (107) and the previously proposed interferometric scheme without additional symmetrization (negative and positive field polarities from the studied
Позициями на чертежах обозначены: 1 - генератор одноквантовых импульсов; 2 и 3 - джозефсоновские передающие линии; 4 - объект исследования; 5 - сверхпроводящая перемычка; 6 - область пространства, в которой локализованы поля, реализующие магнитную связь, между объектом исследования и сверхпроводящей перемычкой детектора; 7 - приемник одноквантовых импульсов со схемой сравнения, 8 - нижний сверхпроводящий электрод; 9 - слой изолятора; 10 - верхний сверхпроводящий электрод; 11 - слоистая тонкопленочная джозефсоновская структура; 12 - токоподводы; 13 - сверхпроводящие соединительные линии.The positions in the drawings indicate: 1 - single-quantum pulse generator; 2 and 3 - Josephson transmission lines; 4 - object of study; 5 - superconducting jumper; 6 - a region of space in which fields realizing magnetic coupling are localized between the object of study and the superconducting jumper of the detector; 7 - a single-quantum pulse receiver with a comparison circuit; 8 - a lower superconducting electrode; 9 - insulator layer; 10 - upper superconducting electrode; 11 - layered thin-film Josephson structure; 12 - current leads; 13 - superconducting connecting lines.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Детектор (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит две джозефсоновские передающие линии (2 и 3), образующие два параллельных пути, по которым джозефсоновские вихри (флаксоны), одновременно выходя из генератора одноквантовых импульсов (1), двигаются к приемнику одноквантовых импульсов со схемой сравнения (7). Рассеяние каждого из флаксонов на токовом диполе, индуцированном магнитным полем объекта исследований (4), создает измеряемую временную задержку между моментами выхода флаксонов из джозефсоновских передающих линий. Измеренная задержка дает информацию о состоянии объекта исследований. Эти измерения могут быть сделаны практически неразрушающими состояние квантовой системы, выступающей в качестве объекта исследований, если согласовать частоту измерений с собственной частотой объекта исследований (в случае использования детектора в квантовых системах обработки информации). Идея заявляемой симметризации схемы заключается в том, что оба флаксона рассеиваются на токовых неоднородностях и при этом каждый флаксон рассеивается только на одном полюсе диполя. Это может быть обеспечено путем присоединения петли связи к обеим джозефсоновским линиям детектора, как показано на фиг. 1 и 2.The detector (see Fig. 1 and Fig. 2) contains two Josephson transmission lines (2 and 3) that form two parallel paths along which Josephson vortices (phaxons), while leaving the single-quantum pulse generator (1), move to the single-quantum receiver pulses with a comparison circuit (7). The scattering of each of the phaxons on the current dipole induced by the magnetic field of the object of study (4) creates a measurable time delay between the moments of the emergence of the phaxons from Josephson transmission lines. The measured delay gives information about the state of the object of study. These measurements can be made practically non-destructive of the state of a quantum system acting as an object of research if the frequency of measurements is matched with the natural frequency of the object of research (if the detector is used in quantum information processing systems). The idea of the claimed symmetrization of the circuit is that both phaxons are scattered by current inhomogeneities, and each phaxon is scattered at only one pole of the dipole. This can be achieved by attaching a communication loop to both Josephson lines of the detector, as shown in FIG. 1 and 2.
На фиг. 3 показано, как может быть выполнена джозефсоновская передающая линия на основе цепочки сосредоточенных (размер много меньше джозефсоновской длины λJ) элементов, что должно упростить сопряжение этой линии с генератором и приемником одноквантовых импульсов.In FIG. Figure 3 shows how a Josephson transmission line can be made on the basis of a chain of concentrated elements (the size is much smaller than the Josephson length λ J ) of elements, which should simplify the coupling of this line with the generator and receiver of single-quantum pulses.
На фиг. 4 и 5 продемонстрировано, как сигнал на выходе детектора и соотношение сигнал-шум для устройства зависят от нормированной величины тока задания рабочей точки; показано, что для заявляемого флаксонного баллистического детектора соотношение сигнал-шум в несколько раз больше, чем для предложенной ранее интерферометрической схемы без дополнительной симметризации.In FIG. 4 and 5 show how the signal at the detector output and the signal-to-noise ratio for the device depend on the normalized value of the current for setting the operating point; It is shown that for the inventive flaxon ballistic detector, the signal-to-noise ratio is several times greater than for the previously proposed interferometric scheme without additional symmetrization.
На фиг. 5 представлена зависимость от времени магнитного потока, оказывающего обратное влияние на объект измерений, которая рассчитывалась как свертка магнитного потока джозефсновского вихря (флаксона) и функций, описывающих геометрию магнитной связи объекта измерений с детектором. Показано, что величина обратного влияния для заявляемого флаксонного баллистического детектора в несколько раз меньше, чем для предложенной ранее интерферометрической схемы, в которой объект исследования взаимодействует только с одной джозефсоновской передающей линией.In FIG. Figure 5 shows the time dependence of the magnetic flux, which has an inverse effect on the measurement object, which was calculated as the convolution of the magnetic flux of the Josephson vortex (vial) and functions describing the geometry of the magnetic coupling of the measurement object with the detector. It is shown that the magnitude of the inverse effect for the inventive flaxon ballistic detector is several times smaller than for the previously proposed interferometric scheme in which the object of study interacts with only one Josephson transmission line.
Приведенные выше источники подтверждают обоснованность и актуальность подхода к реализации сверхпроводниковых детекторов. Технологическая применимость: для реализации заявляемого устройства могут быть использованы материалы, применяемые в криоэлектронной технике и известные специалистам. В качестве подложки, на которой расположены все элементы детектора, могут быть использованы любые стандартные подложки (кремний, сапфир и пр.). В качестве материала для слоя изолятора - оксид алюминия. В качестве материала для сверхпроводящих электродов - ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец. Типичные толщины слоев для патентуемой топологии находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники. В качестве генератора и приемника одноквантовых импульсов можно использовать устройства быстрой одноквантовой логики (К.К. Likharev, V.K. Semenov // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1991, 1. P. 3), хорошо известные из уровня техники и позволяющие генерировать с нужной надежностью флаксоны, а также фиксировать с нужной точностью разницу между временами прохождения флаксонов по джозефсоновской передающей линии (Terai H., Yamashita T., Miki S., et al. // Opt. Express. 2012. 20, N. 18, P. 20115).The above sources confirm the validity and relevance of the approach to the implementation of superconducting detectors. Technological applicability: for the implementation of the inventive device can be used materials used in cryoelectronic technology and known to specialists. As a substrate, on which all the elements of the detector are located, any standard substrates (silicon, sapphire, etc.) can be used. As a material for the insulator layer - aluminum oxide. As a material for superconducting electrodes - niobium, niobium nitride, vanadium, indium, tin, lead. Typical layer thicknesses for the patented topology are in the range technologically feasible for thin-film electronics. As a generator and receiver of single-quantum pulses, one can use fast single-quantum logic devices (K.K. Likharev, VK Semenov // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1991, 1. P. 3), well known in the art and allowing generating with the desired reliability of flaxons, and also to fix with the necessary accuracy the difference between the times of passage of flaxons along the Josephson transmission line (Terai H., Yamashita T., Miki S., et al. // Opt. Express. 2012. 20, N. 18, P. 20115).
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015107040/28A RU2592735C1 (en) | 2015-03-02 | 2015-03-02 | Fluxon ballistic detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015107040/28A RU2592735C1 (en) | 2015-03-02 | 2015-03-02 | Fluxon ballistic detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2592735C1 true RU2592735C1 (en) | 2016-07-27 |
Family
ID=56557009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015107040/28A RU2592735C1 (en) | 2015-03-02 | 2015-03-02 | Fluxon ballistic detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2592735C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU177295U1 (en) * | 2017-09-12 | 2018-02-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) | FLACKSON RING DETECTOR |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6627915B1 (en) * | 2000-08-11 | 2003-09-30 | D-Wave Systems, Inc. | Shaped Josephson junction qubits |
| RU2437189C1 (en) * | 2010-09-08 | 2011-12-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова | Detector of terahertz emission on josephson heterostructure |
| US8508280B2 (en) * | 2011-07-11 | 2013-08-13 | Northrop Grumman Systems Corporation | Qubit readout via resonant scattering of josephson solitons |
| US8571614B1 (en) * | 2009-10-12 | 2013-10-29 | Hypres, Inc. | Low-power biasing networks for superconducting integrated circuits |
-
2015
- 2015-03-02 RU RU2015107040/28A patent/RU2592735C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6627915B1 (en) * | 2000-08-11 | 2003-09-30 | D-Wave Systems, Inc. | Shaped Josephson junction qubits |
| US8571614B1 (en) * | 2009-10-12 | 2013-10-29 | Hypres, Inc. | Low-power biasing networks for superconducting integrated circuits |
| RU2437189C1 (en) * | 2010-09-08 | 2011-12-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова | Detector of terahertz emission on josephson heterostructure |
| US8508280B2 (en) * | 2011-07-11 | 2013-08-13 | Northrop Grumman Systems Corporation | Qubit readout via resonant scattering of josephson solitons |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| И.И. Соловьев, Н.В. Кленов, А.Л. Панкратов, Е.В. Ильичев, Л.С. Кузьмин, Оптимизация схемы баллистического детектора, Труды XVIII международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника", том 1, стр. 95-98, Нижний Новгород 10-14 марта 2014. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU177295U1 (en) * | 2017-09-12 | 2018-02-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) | FLACKSON RING DETECTOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Braginski | Superconductor electronics: Status and outlook | |
| CN104198961B (en) | Using the superconducting quantum interference device Magnetic Sensor of single operational amplifier | |
| Mosser et al. | A spinning current circuit for Hall measurements down to the nanotesla range | |
| Filippov et al. | Signal resolution of RSFQ comparators | |
| Terai et al. | Readout electronics using single-flux-quantum circuit technology for superconducting single-photon detector array | |
| US10120041B2 (en) | Magnetic field sensor | |
| US10262727B2 (en) | Gradiometric flux qubit system | |
| EP2588876B1 (en) | Hall sensor system | |
| Sano et al. | Reduction of the supply current of single-flux-quantum time-to-digital converters by current recycling techniques | |
| RU2592735C1 (en) | Fluxon ballistic detector | |
| RU177295U1 (en) | FLACKSON RING DETECTOR | |
| Kornev et al. | Output power and loading of superconducting quantum array | |
| Schmickler | Beam position measurement system design | |
| CN114137279A (en) | superconducting/TMR composite weak current detection method, sensor and preparation method thereof | |
| US11796579B2 (en) | Superconducting electromagnetic wave sensor | |
| China et al. | Cryogenic readout of superconducting nanowire single-photon detectors using high-sensitivity adiabatic quantum-flux-parametron circuits | |
| Sano et al. | Design and demonstration of a single-flux-quantum multi-stop time-to-digital converter for time-of-flight mass spectrometry | |
| Zhou et al. | Electronic feedback system for superconducting quantum interference devices | |
| Sypkens et al. | Development of an array of kinetic inductance magnetometers (KIMs) | |
| Kejik et al. | Offset compensation based on distributed Hall cell architecture | |
| Shrivastava et al. | Application of high-Tc superconducting Josephson junction devices | |
| Sano et al. | Design and high-speed tests of a single-flux-quantum time-to-digital converter for time-of-flight mass spectrometry | |
| RU2799401C1 (en) | Device for measuring weak magnetic fields | |
| Avdochenko et al. | Weak magnetic field detectors based on Hall-effect sensors | |
| Ding et al. | A Portable Gauss Meter with Low Offset Based on AlGaN/GaN Hall Sensor Probe Suitable for High-Temperature Environment |