具有Washer型输入线圈的超导量子干涉放大器的制备与表征

超导量子干涉仪(SQUID)放大器具有低输入阻抗、低噪声、低功耗等优点, 目前被广泛用于微弱信号的检测领域. 与其他工艺相比, Nb/Al-AlO_x/Nb结构的约瑟夫森结具有相对较高的转变温度(T_c)、高的磁通电压调制系数以及良好的热循环能力、较宽的临界电流范围, 因此是制备SQUID放大器的很好选择. 设计并制作了欠阻尼、过阻尼约瑟夫森结以及具有Washer型输入线圈的单SQUID放大器, 通过在He³制冷机3 K温区下对器件电流-电压特性进行测量, 得到良好的结I-V特性曲线、SQUID调制特性, 初步实现利用SQUID进行放大作用, 并计算了SQUID的电流分辨率. 此项工作对于超导转变边沿传感器读出电路的实现具有重要的意义.     

一种双模压缩微波制备的相位锁定方案

相位锁定是双模压缩微波制备的关键问题之一.针对基于超导180°混合环的制备方案相位稳定度不高且信息处理复杂等问题,提出一种相位锁定方案.对约瑟夫森参量放大器的信号输入进行相位调制,输出的单模压缩微波与另一未调制的同频单模压缩微波在超导180°混合环内干涉,实现双模压缩微波的制备与路径分离.将未调制的单模压缩微波与一路双模压缩微波混频,解调出相位调制信号可得到两路单模压缩微波的相对相位及误差,将相位误差反馈于约瑟夫森参量放大器的抽运实现相对相位的锁定,获得稳定的双模压缩输出.本研究对高性能纠缠微波源的设计提供了理论参考.     

MgO衬底上YBa2Cu3O7-δ台阶边沿型约瑟夫森结的制备及特性

MgO衬底上的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device,SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景.本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究.首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO(100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶,然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜,进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结.在结样品的电阻-温度转变曲线中,观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象,与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致.伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型,在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度TC随温度T呈现出(TC-T)^2的变化规律,77 K时JC值为1.4×10^5 A/cm^2.利用制备的台阶结,初步制备了YBCO射频高温超导SQUID,器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线,温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250μΦ0/Hz^1/2.本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.     

超导量子干涉器件读出电路中匹配变压器的传输特性研究

在磁通调制超导量子干涉器件(SQUID)的读出电路中, 匹配变压器具有放大信号和阻抗匹配的功能, 是实现SQUID低噪声读出的关键元件. 利用模拟SQUID电路对匹配变压器进行性能测试, 研究了不同绕制匝数变压器的传输特性, 确定最佳绕制匝数比. 在变压器拾取SQUID电压信号的耦合网络中, 研究了不同电容对变压器传输特性的影响, 实现了变压器耦合网络参数的匹配和优化. 室温下匝数比为1:20的匹配变压器在匹配电容C=1μF时, 输出源电压增益为21.2, 带宽范围可达到210 kHz. 最后在基于磁通调制式DC SQUID读出电路中, 对匹配变压器的工作性能进行了评估与验证. 关键词： 超导量子干涉器件读出电路 匹配变压器 低噪声 传输特性     

高温超导量子干涉器中的约瑟夫森结

超导量子干涉器(SQUID)是以约瑟夫森结为核心元件的极其灵敏的磁通-电压转换器.在最近20年间,超导电子学界利用多种铜氧化物高温超导材料,制造出了高温超导约瑟夫森结乃至高温超导量子干涉器(高TcSQUID);特别是,利用YBa2Cu3O7-δ(YBCO)制出了多种高温超导约瑟夫森结,并进而制成了具有一定实用性的高TcSQUID.文章主要是对高TcSQUID中所使用的高温超导约瑟夫森结进行评述.     

射频超导量子干涉器的外磁通调制测量磁通量子

在外磁通作用下射频超导量子干涉器（ＲＦＳＱＵＩＤ）超导结两边量子相位差受到调制，干涉器吸收谐振回路能量的同时也影响谐振回路，回路输出电压与外磁通为三角波曲线关系，再受静磁场作用时曲线移动，据此可磁通量子。     

用于精密测量玻尔兹曼常数的量子电压噪声源芯片研制

量子噪声温度计系统可通过比较导体中电子运动的热噪声和量子电压参考噪声精密测量玻尔兹曼常数,其中量子电压噪声源所合成的量子电压参考噪声由一组超导约瑟夫森结阵产生.本文详细介绍了基于Nb/Nb_xSi_(1-x)/Nb约瑟夫森结的量子电压噪声源芯片的设计、制备及测试;采用脉冲驱动模式,合成了具有量子精度的100 kHz交流量子电压信号.结果表明:本文所研制的噪声温度计核心芯片已具备了合成交流电压的功能,可为后续玻尔兹曼常数精密定值、重新定义及复现热力学温度研究提供核心器件.     

Al/Al_2O_3/Al隧道结相位扩散的现象

超导约瑟夫森结是超导量子比特的核心元件,由约瑟夫森结组成的直流超导量子干涉器(DC-SQUID)由于其具有较高的探磁灵敏度,在超导磁通量子比特量子位测量中具有重要的作用.我们用铝为超导材料,采用电子束斜蒸发及静态氧化的方法制备了由两个Al/Al2O3/Al隧道结并联组成的DC-SQUID样品.将DC-SQUID样品置于20~1000mK范围内的不同温度下,对其跳变电流分布进行了测量.在50mK明显观测到了隧道结跳变电流机制由宏观量子隧穿到热激发的转变,并且在高于80mK时,观测到了相位扩散的现象.这对于隧道结相位动力学研究具有重要意义.     

高温超导双晶结混频器噪声系数测量

噪声系数(Noise Figure,NF)是超导混频器的一个重要参数,是衡量超导混频器内部噪声、影响混频器灵敏度的一个重要指标.实验基于小型脉冲管制冷系统,搭建高温超导约瑟夫森双晶结混频器噪声系数自动测量系统,工作温度为60K.Ar离子刻蚀工艺技术制备高温超导YBa2Cu3O7-δ(YBCO)/MgO约瑟夫森双晶结,通过Y-因子噪声测量法,测量YBCO/MgO约瑟夫森双晶结混频器的噪声系数.实验成功制备了特征电压约1mV的YBCO/MgO约瑟夫森双晶结,在650GHz信号辐照下,有明显的夏皮罗(Shapiro)台阶.在210GHz信号辐照下,进行30次谐波混频,约瑟夫森双晶结在不同偏置电压点中频输出信噪比变化范围约为30dB.在77K与300K不同输入噪声功率下,测得双晶结混频器噪声系数最小值为10dB,偏置电压在300μV.     

一种通过约瑟夫森结非线性频率响应确定微波耗散的方法

通过对电流偏置超导约瑟夫森结的微波驱动行为的研究,提出了一个确定约瑟夫森结微波耗散的方法.结的微波耗散由它的品质因子描述.微波耗散严重影响约瑟夫森器件如参量放大器、超导量子比特等的性能.对电流偏置的约瑟夫森结势阱采用四阶近似后,可以得到在较强微波驱动下约瑟夫森结非线性微波响应方程.该方程定量描述了非线性共振频率随外加微波功率变化关系:非线性共振频率与结等离子频率的差别依赖于约瑟夫森结的微波品质因子.对电流偏置的约瑟夫森结的微波运动行为进行了数值模拟.模拟结果确证了微波品质因子与非线性共振频率-等离子频率差别的定量关系可以应用于约瑟夫森结中.用这种非线性频率响应方法来确定约瑟夫森结的微波耗散没有严格的温度要求,可在单个电流偏置的结中完成,实验上具有简单可靠性.     

基于dc SQUID直接读出磁通锁定环路仿真研究

直流超导量子干涉仪(dc SQUID)结合读出电路可以测量微弱磁场信号,设计合理可用的读出电路是弱磁检测的关键技术之一.在这项研究中,改善了磁通锁定环路(flux-locked loop,简称FLL),进行了基于dc SQUID直接读出FLL仿真,利用PSPICE可直观地仿真系统的动态特性,通过仿真研究了影响直接读出FLL性能的关键参数,这些参数包括偏置电流、结电容、结电阻和反馈电阻以及反馈回路对系统输出的影响,对于高性能的FLL设计具有很大的参考价值.     

前置放大器在高频信号检测系统中的作用

利用约瑟夫森效应获取电磁信号的频谱信息是超导电子学的重要应用之一.我们在实验室已搭建的高频信号频谱检测系统基础上,研究了前置放大器的噪声参数对整个高频信号检测系统性能产生的影响.通过实验,我们将两个不同输入电压噪声密度的低噪声放大器应用于检测系统,并对所得的结果进行了比较.讨论了在前置放大器方面对基于约瑟夫森效应的液氮温区的小型高频信号检测系统进行改进的可能性.     

电子器件散粒噪声测试方法研究

本文分析了超导量子干涉器(SQUID)和超导-绝缘-超导(SIS)约瑟夫森结散粒噪声测试方法的应用局限性,提出了常规器件的散粒噪声测试方案.针对常规电子器件散粒噪声特性,研究了噪声测试基本条件,并建立了低温测试系统.通过采用双层屏蔽结构和超低噪声前置放大器,实现了较好的电磁干扰屏蔽和极低的背景噪声.在10 K温度下对常规二极管散粒噪声进行了测试,通过理论和测试结果对比分析,验证了测试系统的准确和可信性. 关键词： 散粒噪声 电子器件 噪声测试     

中国超导电子学研究及应用进展

超导体的发现距今已有近110年了,高温超导体的发现也已经有30多年了.超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展.高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能,已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用.超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度,成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段.包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射,具有接近量子极限的超高灵敏度,在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用.超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件.超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图,成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一.在计量科学中,超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中.在当前的量子信息技术热潮中,超导电子学扮演重要角色,同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展.本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.     

应用于低功耗超导电路的Nb基Josephson结和SQUID的制备与测量(英文)

为了突破传统微电子芯片的散热限制和克服超级计算机运算能耗高的困难,低功耗电路已经成为信息计算领域研究的热点问题.近来,Nb基超导数字电路在低功耗电路中显现出比其它方案更有优势的前景.Josephson结的质量在超导数字电路的动态功耗中起着关键的作用.我们采用双层正胶光刻和NR9-3000PY负胶光刻,实现了适用于Nb基Josephson器件的自对准剥离工艺.性能稳定的Josephson结和直流超导量子干涉仪DC-SQUID被制备出来,在不同温度下进行了电学性能测试.不同面积的欠阻尼结具有一致的临界电流密度Jc,在2.54K时约400A/cm2.通过片上施加控制电流的方式,观测了DC-SQUID零电压态跳变电流随磁场的调制效应.     

基于LSAT衬底YBa2Cu3O7-δ台阶结的射频高温超导量子干涉器的制备和表征

基于 YBa2Cu3 O7 -δ (YBCO) 台阶边沿型约瑟夫森结( 台阶结) 的高温超导量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device, 简称 SQUID) 在微弱磁场测量等领域具有重要应用价值. 制 备 YBCO 台 阶 结 及SQUID 的常用单晶衬底包括 LaAlO3 (LAO) 、SrTiO3 (STO) 及 MgO 等. (La0 .3 ,Sr0 .7 ) (Al0 .65 ,Ta0 .35 )O3 (LSAT) 没有孪晶现象、 与 YBCO 的晶格失配度很小(仅为0.4% ) , 有潜力成为制备 YBCO 台阶结及相应的高温超导 SQUID器件的新的衬底选择. 本文首次探索研究了 LSAT 衬底上 YBCO 台阶结型射频超导量子干涉器(rf SQUID) 的制备和表征. 采用氩离子束刻蚀技术在 LSAT(100) 衬底上制备角度约为46°的台阶, 利用脉冲激光沉积法在衬底上生长 YBCO 超导薄膜, 然后利用传统紫外光刻技术制备出高温超导rf SQUID 器件. 在温度为77 K 时, 器件测试观察到幅度较大的电压-磁通特性曲线, 且在部分器件的特性曲线中观察到接近方波的非传统波形, 表明器件工作于噪声较低的色散模式下. 频率1 kHz 时器件的磁通噪声约为20 μΦ0/Hz1/2 , 与文献中报道的 LAO、STO 衬底上台阶结型SQUID 器件的典型结果相当. 本工作展示了利用 LSAT 衬底制备低噪声台阶结型rf SQUID 器件的可行性, 并为进一步研制该衬底上更高性能的高温超导SQUID 器件奠定了基础     

用于TES读出的两级SQUID电流放大器及时分复用电路设计与仿真（英文）

本文报道了用于转变边缘传感器(Transition Edge Sensor)读出的两级超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device)放大器电路设计,通过电流分辨率、增益、带宽等考虑对电路参数进行设计,并采用WRspice建立电路仿真模型进行参数优化.电路通过引入磁通锁定环(flux locked loop)实现了大动态输入的确定放大倍数线性放大器,并采用时分复用读出策略对TES阵列进行读出.本文分析方法及仿真模型对于设计及验证大规模复杂TES阵列读出电路提供了一种有效的参数优化手段.     

高温超导技术在微磁传感器中的应用与发展

磁传感器在诸多领域有着广泛的应用,而随着高温超导技术的快速发展,将高温超导材料应用于磁信号测量成为超导材料应用的一个重要领域。文章探讨了高温超导材料在微弱磁场测量方面的主要应用,介绍了三种在微弱磁场测量方面能达到或有希望达到f T量级的传感器。其中包括:基于约瑟夫森结效应的超导量子干涉器(SQUID),基于超导零电阻效应的巨磁电阻(GMR)磁传感器和由文章作者所在的实验室提出的巨磁阻抗(GMI)/超导复合磁传感器。文章重点介绍了GMI/超导复合磁传感器,并对此传感器在结构和应用方面的最新进展进行了说明。     

超导约瑟夫森结物理参数的实验推算

超导约瑟夫森结是实现超导量子计算和微波单光子探测的核心器件,其物理参数很难直接测定.与之前常用的测量结微波激励效应估计方法不同,本文通过实验测量低频电流驱动下的约瑟夫森结Ⅰ-Ⅴ曲线及其跳变电流统计分布,并与基于标准电阻电容分路结模型数值模拟进行比对,推算出了约瑟夫森结的临界电流I_c、电容C、电阻R及阻尼参数β_c等物理参数.结果表明,所推算的参数值与基于微观理论推导所得到的Ambgaokar-Baratoff公式基本符合,可供约瑟夫森结的器件参数按需设计和制备工艺的参数设置等参考.     

低温超导线圈失超信号检测

应用低噪声放大与滤波电路,把淹没于低噪声放大器固有噪声中的低温超导临界温度对应的微弱电压信号提取出来并进行放大,然后应用快速高精度的数据采集卡及计算机数据处理技术,为低温超导线圈失超信号检测提供强有力的手段.