(57)【要約】【課題】  ＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を測定する際の鋸歯状電流の周波数が高い場合でも、その統計平均を、簡便、かつ、正確に測定することのできる超伝導量子干渉素子用電子回路を提供する。【解決手段】  超伝導量子干渉素子２に鋸歯波電流を印加する鋸歯波電流発生回路３と、サンプルホールド回路７と、超伝導量子干渉素子２に臨界電流が印加されたときの有限電圧を検出しサンプルホールド回路７へサンプルホールド制御信号６Ａを発生する回路と、サンプルホールド回路７の出力に接続されるローパスフィルタ８と、ローパスフィルタ８により抽出された直流電圧を測定する直流電圧計９と、を含み、サンプルホールド回路７に入力される鋸歯波電流発生回路３の信号により超伝導量子干渉素子２の臨界電流を測定することができる。【選択図】  図１
2006329835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導量子干渉素子に鋸歯波電流を印加する鋸歯波電流発生回路と、
サンプルホールド回路と、
上記超伝導量子干渉素子に臨界電流が印加されたときの有限電圧を検出し、上記サンプルホールド回路へサンプルホールド制御信号を発生する回路と、
上記サンプルホールド回路の出力に接続されるローパスフィルタと、
上記ローパスフィルタにより抽出された直流電圧を測定する直流電圧計と、
を含み構成される超伝導量子干渉素子用電子回路であって、
上記サンプルホールド回路に入力される鋸歯波電流発生回路の信号により上記超伝導量子干渉素子の臨界電流を測定することを特徴とする、超伝導量子干渉素子用電子回路。
【請求項２】
前記超伝導量子干渉素子は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤであることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
【請求項３】
前記サンプルホールド制御信号を発生する回路が、プリアンプとコンパレータ回路と単安定マルチバイブレータと、を含み構成されることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導量子干渉素子の臨界電流を測定するための超伝導量子干渉素子用電子回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導量子干渉素子（Superconducting Quantum Interference Device 、以下適宜ＳＱＵＩＤとも呼ぶ）は、超伝導リング内にジョセフソン接合を有する素子であり、ジョセフソン接合が２つの場合はＤＣ−ＳＱＵＩＤと呼ばれている。このＤＣ−ＳＱＵＩＤを使用すれば、微弱な磁束が検出できるので、高感度の磁束計として用いられている。
【０００３】
図５は、非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性の一例を示す図であり、挿入図がＤＣ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性である。図の縦軸は電流（ｎＡ）を示し、横軸は電圧（μＶ）を示している。図示するように、電流があるしきい値を越えたときに、ＤＣ−ＳＱＵＩＤにはゼロでない電圧が発生するが、そのしきい値を臨界電流とよぶ。臨界電流が磁束の関数となることを利用すると、臨界電流の測定を通じて磁束を検出することができる。
【０００４】
測定される臨界電流はいろいろな原因により統計的ゆらぎをもつ。この統計的ゆらぎの原因としては、熱的ゆらぎや外来雑音がある。微小なジョセフソン接合を用いたＤＣ−ＳＱＵＩＤでは、それらに加えて量子的なゆらぎの効果が大きく、臨界電流のばらつきは絶対値の１０％以上になる場合もある。このような微小なジョセフソン接合によるＤＣ−ＳＱＵＩＤの量子的なゆらぎが無視できないほど大きい場合において、磁束を求めるためには、臨界電流の統計平均を測定しなければならない。
【０００５】
ＤＣ−ＳＱＵＩＤにおける臨界電流の従来の測定においては、鋸歯状電流をＤＣ−ＳＱＵＩＤに流し、電圧が発生するときの電流値を毎回ＡＤ変換器で記録し、その値の統計平均をコンピュータで求めることが行われてきた（例えば、非特許文献１参照）。
図５は、非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流のバラツキの一例を示す図である。図の縦軸は回数を示し、横軸は臨界電流（ｎＡ）を示している。図示するように、臨界電流には大きなゆらぎが生じていることが分かる。
【０００６】
図６は、非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流のバラツキの一例を示す図である。図６において、縦軸は臨界電流（ｎＡ）を示し、横軸（ΦSQUID ）は外部から印加した磁束である。挿入図は、統計的ゆらぎのある臨界電流をそのままプロットしたものである。それをコンピュータで処理し統計平均を求めたものをプロットしたものが拡大図である。これから、従来の臨界電流の測定では、臨界電流の測定においてバラツキがあることが分かる。
【０００７】
【非特許文献１】Caspar H. van der Wal他７名, "Quantum Superposition of Macroscopic Persistent-Current States", Science, Vol.290, pp.773-777, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＤＣ−ＳＱＵＩＤにおける臨界電流の測定では、鋸歯状電流の周波数が高くなると、高速のＡＤ変換器やコンピュータが必要となり、この方式では測定が難しくなるという課題がある。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑み、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を測定する際の鋸歯状電流の周波数が高い場合でも、その統計平均を、簡便、かつ、正確に測定することができる、超伝導量子干渉素子用電子回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路は、超伝導量子干渉素子に鋸歯波電流を印加する鋸歯波電流発生回路と、サンプルホールド回路と、超伝導量子干渉素子に臨界電流が印加されたときの有限電圧を検出し、サンプルホールド回路へサンプルホールド制御信号を発生する回路と、サンプルホールド回路の出力に接続されるローパスフィルタと、ローパスフィルタにより抽出された直流電圧を測定する直流電圧計と、を含み構成される超伝導量子干渉素子用電子回路であって、サンプルホールド回路に入力される鋸歯波電流発生回路の信号により超伝導量子干渉素子の臨界電流を測定することを特徴とする。
上記構成において、超伝導量子干渉素子は、好ましくは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤである。
また、好ましくは、サンプルホールド制御信号を発生する回路は、プリアンプとコンパレータ回路と単安定マルチバイブレータと、を含み構成される。
【００１１】
上記構成によれば、超伝導量子干渉素子用電子回路において、臨界電流が印加されたときの有限電圧を検出し、この有限電圧によりサンプルホールド回路の制御信号を得て、サンプルホールド回路に入力される鋸歯波電流発生回路から臨界電流を、簡単に、かつ、正確に測定することができる。これにより、超伝導量子干渉素子からの信号をバラツキなく安定に検出できる超伝導量子干渉素子用電子回路を提供することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路によれば、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を測定する際の鋸歯状電流の周波数が高い場合でも、その統計平均を、簡便、かつ、正確に測定することのできる、超伝導量子干渉素子用電子回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材または同一の部分には同一の符号を付して説明する。
最初に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の実施形態を説明する。
図１は本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に電流を供給する鋸歯波電流発生回路３と、プリアンプ４と、コンパレータ回路５と、単安定マルチバイブレータ６と、サンプルホールド回路７と、ローパスフィルタ８と、直流電圧計９と、を含み構成されている。
なお、図中の点線で囲んでいる領域１０は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２が収容されている。この領域１０は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２が動作する温度に保持されている液体ヘリウムやヘリウム冷凍機などによるクライオスタットなどの容器を示している。
【００１４】
ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２は、その一例を図示しているが、略半円帯状の超伝導体２Ａ，２Ｂがリング状に配置され、それらの両端部に図示しない絶縁体が挟まれて、ジョセフソン接合２Ｃ，２Ｄが形成されている。そして、ジョセフソン接合２Ｃ及び２Ｄから約９０°離れた位置に、電流端子２Ｅ，２Ｆが設けられている。ジョセフソン接合２Ｃ及び２Ｄは、例えば、超伝導体２Ａ，絶縁体，超伝導体２Ｂから構成されている。ここで、超伝導体２Ａ，２Ｂは、同じ材料を用いてもよい。また、絶縁体も同じ材料を用いてもよい。
【００１５】
ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の電流端子２Ｅには、鋸歯波電流発生回路３からバイアス電流が印加され、電流端子２Ｆが接地されている。そして、電流端子２Ｅ，２Ｆの両端に生じる電圧が、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に接続されるプリアンプ４に入力される。
【００１６】
鋸歯波電流発生回路３は、鋸歯状波発生回路３Ａと、この鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧を電流に変換する電圧電流変換回路３Ｂと、から構成されている。ここで、鋸歯状波発生回路３Ａは、鋸歯状の波や所謂三角波状の波を発生させる回路である。
【００１７】
プリアンプ４は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に発生する微小電圧を増幅する。この増幅した信号は、プリアンプ４の後段に接続されるコンパレータ回路５に出力される。プリアンプ４の増幅度は、コンパレータ回路５で処理するのに十分な電圧が得られるように選定されている。
【００１８】
コンパレータ回路５は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２がゼロ電圧の状態から有限電圧の状態に変化したことを検出するために使用する。このコンパレータ回路５は、例えば演算増幅器（以下、適宜オペアンプと呼ぶ）を用いた電圧比較器を用いることができる。図示の場合には、プリアンプ４の出力電圧４Ａと基準電圧Ｖthとが、オペアンプに入力される場合を示している。
したがって、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に鋸歯波電流が印加されて、その電流が増加して有限電圧の状態に変化した場合には、プリアンプ４には出力電圧４Ａが生じる。この出力電圧４Ａが基準電圧Ｖthよりも大きくなったときに、ステップ信号５Ａがコンパレータ回路５から出力される。
【００１９】
単安定マルチバイブレータ６は、上記コンパレータ回路のステップ信号５Ａが入力される。これにより、単安定マルチバイブレータ６は、コンパレータ回路５からのステップ信号５Ａが入力したときに、設定された有限の長さのパルス６Ａを出力する。
【００２０】
サンプルホールド回路７は、単安定マルチバイブレータ６からパルス６Ａが入力されたとき、鋸歯状波発生回路３Ａの出力電圧をホールドするために使用する。図に示すサンプルホールド回路７は、サンプル時間を制御するスイッチ１２と電圧ホールド用コンデンサ１３とから構成されている。スイッチの一端１２Ａにはサンプル信号が入力され、その他端１２Ｂが、電圧ホールド用コンデンサ１３に接続されている。このスイッチ１２は、サンプルホールド制御信号が印加されている時間だけ閉となり、サンプル信号が電圧ホールド用コンデンサ１３に印加される。そして、スイッチ１２が開となると、電圧ホールド用コンデンサ１３に充電された電圧は、一定の電圧を保つ、所謂ホールド状態となる。
【００２１】
上記サンプルホールド回路７においては、サンプル信号が鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧であり、サンプルホールド制御信号が単安定マルチバイブレータからの出力信号６Ａとなっている。また、鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧は、電圧電流変換回路３Ｂによって電流に変換される。したがって、鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧とＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に印加される電流とは１対１で対応する。これにより、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａは、鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧であるので、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流とは１対１で対応することになる。そして、このサンプルホールド回路の出力７Ａが後段のローパスフィルタ８に接続される。
【００２２】
ローパスフィルタ８は、上記サンプルホールド回路７からの出力電圧７Ａから直流電圧８Ａを抽出する。
【００２３】
直流電圧計９は上記ローパスフィルタ８に接続していて、ローパスフィルタから抽出した直流電圧８Ａを計測する。
【００２４】
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１によれば、サンプルホールド回路からの出力電圧７Ａが、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流と１対１で対応しているので、この出力電圧７Ａをローパスフィルタ８に通すことにより、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａの時間平均が得られる。これを直流電圧計９で測定することによりＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流の値を正確に測定することができる。
【００２５】
ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流に統計的ゆらぎがあるときには、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａは、鋸歯状電圧の掃引ごとに異なっているが、この電圧をローパスフィルタ８に通すことにより、サンプルホールド回路の出力電圧７Ａの時間平均が得られるので、この測定された電圧が、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流の統計平均を与える値として測定することができる。
【００２６】
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１は以上のように構成されており、以下のように動作する。
図２は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１の各部の動作状態を模式的に示すタイミングチャートであり、それぞれ（Ａ）は鋸歯状波発生回路３Ａの電圧波形、（Ｂ）はプリアンプの出力４Ａの電圧波形、（Ｃ）はコンパレータ回路の出力５Ａの電圧波形、（Ｄ）は単安定マルチバイブレータからのパルス６Ａの電圧波形、（Ｅ）はサンプルホールド回路の出力７Ａの電圧波形を示している。図の縦軸がそれぞれの波形の電圧振幅を示し、横軸が時間である。
先ず、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２に鋸歯波電流発生回路３から電流が印加され、ｔ1 という時刻で臨界電流が流れ、有限電圧の状態に変化する（図２（Ａ）の時刻ｔ1 参照））。この有限電圧がプリアンプ４で増幅され、プリアンプから出力電圧４Ａがコンパレータ回路５に出力される（図２（Ｂ）参照）。
次に、コンパレータ回路５は、プリアンプ出力と基準電圧Ｖthとを比較して、ステップ信号５Ａを出力する（図２（Ｃ）参照）。
単安定マルチバイブレータ６は、上記コンパレータ回路のステップ信号５Ａが入力されると、図示の場合にはｔs の長さのパルス６Ａ、即ち、サンプルホールド制御信号をサンプルホールド回路７に出力する（図２（Ｄ）参照）。
サンプルホールド回路７は、単安定マルチバイブレータ６からサンプルホールド制御信号６Ａが入力されたとき、サンプル時間ｔs の間は鋸歯状波発生回路３Ａの出力電圧に追随した電圧を出力し、サンプル時間ｔs が終了した後は、所定のホールド時間ｔh の間、ホールド電圧を出力し続ける（図２（Ｅ）参照）。
このホールド電圧がローパスフィルタ８に出力され、抽出された直流電圧８Ａが直流電圧計９で計測される。上記したように、この直流電圧からＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流が求まる。
【００２７】
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１によれば、鋸歯状波発生回路３Ａの周波数が高くなってもその周波数で動作するサンプルホールド回路７により鋸歯状波発生回路３Ａで発生させた電圧をホールドしている。このホールドした電圧の内、ローパスフィルタ８を通過した直流電圧によりＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流を測定することができる。
したがって、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１によれば、従来のＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流測定に用いていたＡＤ変換器が不要となる。このため、ＡＤ変換器からのデジタル信号を取得して信号処理をするコンピュータも不要となる。これにより、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１は構成が簡単で、低コストで製造することができる。また、鋸歯状波発生回路３Ａの周波数が高くなってもその周波数で動作するサンプルホールド回路７により構成できるので、高速動作のＡＤ変換器及び高速コンピュータも不要となる。
【実施例】
【００２８】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例として、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ２を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路２０を製作した。
図３は、実施例のＤＣ−ＳＱＵＩＤ２を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路２０の構成を示す回路図である。基本的には、超伝導量子干渉素子用電子回路１の回路と同様である。鋸歯波電流発生回路３の電圧電流変換回路３Ｂは、オペアンプ２１，２２と抵抗により構成した。また、単安定マルチバイブレータ６としては、ＴＩ社製のＳＮ７４１２１を用い、サンプルホールド回路７としては、アナログ・デバイセズ社製のＡＤ７８３を用いた。ローパスフィルタ８としては、抵抗２３及びコンデンサ２４からなる回路又は高次のローパスフィルタを用いた。
【００２９】
このような構成による実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路２０によりＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流を測定した。
図４は、実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路２０により測定したＤＣ−ＳＱＵＩＤ２の臨界電流を示す図である。図において、縦軸は臨界電流の統計平均値（ｎＡ）を示し、横軸は磁場を加えるための電磁石に流した電流（ｍＡ）であり、外部から印加されている磁場に比例している。図４から明らかなように、実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路２０にて測定された臨界電流においては、図６の非特許文献１の場合と比較して、非常にバラツキの少ないスムーズな波形が得られることが分かる。
【００３０】
図４に示す実施例の測定においては、鋸歯状波の周波数は１ｋＨｚ、サンプル時間ｔs ＝７００ｎｓ、ホールド時間はｔh ＝約１ｍｓであった。鋸歯状波の周波数は、約１ＭＨｚ以上であっても使用可能であった。
【００３１】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。本発明に用いるＤＣ−ＳＱＵＩＤやサンプルホールド回路などの各回路は、その使用目的に応じて、適宜に選択あるいは設計すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の各部の動作状態を模式的に示すタイミングチャートであり、それぞれ（Ａ）は鋸歯状波発生回路の電圧波形、（Ｂ）はプリアンプの出力の電圧波形、（Ｃ）はコンパレータ回路の出力の電圧波形、（Ｄ）は単安定マルチバイブレータからのパルスの電圧波形、（Ｅ）はサンプルホールド回路の出力の電圧波形を示している。
【図３】実施例のＤＣ−ＳＱＵＩＤを用いた超伝導量子干渉素子用電子回路の構成を示す回路図である。
【図４】実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路により測定したＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。
【図５】非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性の一例を示す図である。
【図６】非特許文献１で報告されているＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流のバラツキの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，２０：超伝導量子干渉素子用電子回路
２：ＤＣ−ＳＱＵＩＤ
２Ａ，２Ｂ：超伝導体
２Ｃ，２Ｄ：ジョセフソン接合
２Ｅ，２Ｆ：電流端子
３：鋸歯波電流発生回路
３Ａ：鋸歯状波発生回路
３Ｂ：電圧電流変換回路
４：プリアンプ
４Ａ：プリアンプ出力電圧
５：コンパレータ回路
５Ａ：コンパレータ回路の出力信号（ステップ信号）
６：単安定マルチバイブレータ
６Ａ：パルス
７：サンプルホールド回路
７Ａ：サンプルホールド回路の出力
８：ローパスフィルタ
８Ａ：直流電圧
９：直流電圧計
１０：クライオスタット
１２：スイッチ
１３：電圧ホールド用コンデンサ
２１，２２：オペアンプ
２３：抵抗
２４：コンデンサ
【図１】
2006329835.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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