(57)【要約】常伝導体セグメントにより割り込まれた超伝導ループと、常伝導体セグメントに接続された干渉計とを備える量子干渉デバイスであって、超伝導ループが、複数のターンを含む。ターンは、複数の隣接したローブであり得る。コイルは、超伝導ループのローブ内に位置し得る。任意選択的に、（例えば金の）ブリッジ層は、基材の上方に形成されて、ブリッジ層の上方に形成された（例えばニオブの）超伝導層とブリッジ層の上方に形成された（例えばチタンの）常伝導層との間における電気的接触をもたらす。ブリッジ層は、別のやり方であれば互換性のない超伝導および常伝導材料によりデバイスが形成されることを可能にする。チタン常伝導層は、長年にわたって酸化することを可能にされ得る。【選択図】図１１
2018530913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常伝導体セグメントにより割り込まれた超伝導ループと、前記常伝導体セグメントに接続された干渉計とを備える量子干渉デバイスであって、前記超伝導ループが、複数のターンを含む、量子干渉デバイス。
【請求項２】
前記複数のターンが、複数の隣接したローブを備える、
請求項１に記載の量子干渉デバイス。
【請求項３】
前記超伝導ループのローブ内に位置するコイルをさらに備える、
請求項２に記載の量子干渉デバイス。
【請求項４】
２つのローブと、前記超伝導ループの各ローブ内に位置するコイルとを含む、
請求項３に記載の量子干渉デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の量子干渉デバイスと、前記超伝導ループの１つのローブ内に位置するコイルに接続されたピックアップコイルと、前記超伝導ループの別のローブ内に位置するコイルに接続されたフィードバック電流源と、
を備える、磁気計デバイス。
【請求項６】
４つのローブと、前記超伝導ループの各ローブ内に位置するコイルとを含む、
請求項３に記載の量子干渉デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の量子干渉デバイスと、前記超伝導ループの２つのローブ内に位置するコイルに接続されたピックアップコイルと、前記超伝導ループの別の２つのローブ内に位置するコイルに接続されたフィードバック電流源と、
を備える、グラジオメーターデバイス。
【請求項８】
直列接続された請求項６に記載の複数の量子干渉デバイスと、各前記量子干渉デバイスの前記超伝導ループの２つのローブ内に位置するコイルに接続されたピックアップコイルと、前記超伝導ループの別の２つのローブ内に位置するコイルに接続されたフィードバック電流源と、
を備える、グラジオメーターデバイス。
【請求項９】
前記量子干渉デバイスの前記干渉計に接続された読み取りリードのペアをさらに備え、前記読み取りリードのうちの１つが、他方の前記読み取りリード上に折り返された、
請求項１から請求項８の使用のうちのいずれか一項に従ったデバイス。
【請求項１０】
前記複数のターンが、複数の入れ子ループを備える、
請求項１に記載の量子干渉デバイス。
【請求項１１】
不完全な超伝導ループと、前記超伝導ループの端部から並列に延びた分岐のペアと、前記分岐間を橋渡しする複数の常伝導体セグメントと、前記常伝導体セグメントの中点に接続された常伝導交差体と、
を備える、量子干渉デバイス。
【請求項１２】
前記超伝導分岐と前記常伝導体セグメントとにより囲まれたエリアが、前記超伝導ループにより囲まれたエリアよりはるかに小さい、
請求項１１に記載の量子干渉デバイス。
【請求項１３】
超伝導体と常伝導体との間の接合部にブリッジ層をさらに備える、
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ブリッジ層が、金、銀、銅、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、
請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記超伝導ループが、ニオブ、鉛、アルミニウム、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、
請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記常伝導体セグメントが、チタン、アルミニウム、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記常伝導体セグメントが、製造されたときに、望ましくはチタンのパッシベーション深さに２０ｎｍを加えた厚さより大きな、例えば４０ｎｍの、前記チタンのパッシベーション深さより大きな厚さをもつチタンの層により形成された、
請求項１６に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導デバイスおよび超伝導デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
−束センサー、トランジスタ、またはキュービットとして使用され得る−様々な量子干渉デバイスがＷＯ２０１２／００７７３６Ａ１において開示される。デバイスの２つの例が、本明細書に添付の図１および図２に描かれる。
【０００３】
図１に示すデバイスにおいて、量子干渉デバイス５０は、接合部５３、５４において超伝導ループ５１に接続した常伝導体セグメント５２により割り込まれた超伝導ループ５１を備える。２分岐１０干渉計５５が、常伝導体セグメント５２に接続される。２つの分岐５５ａ、５５ｂは、常伝導体セグメント５２の中点に接続されて、十字を形成する。
【０００４】
干渉計の第１の分岐５５ａは、常伝導体セグメント５２から常リード５７、５８を分離する障壁５６を含む。干渉計の第２の分岐５５ｂは、常伝導体セグメント５２および超伝導リード６０、６１に接続する常突起５９を備える。干渉計５５にわたって電流が流されたとき、準粒子が、常：超伝導界面５３、５４で反射される（アンドレーエフ反射）。超伝導ループ５１を通る束（ｆｌｕｘ）は、界面５３および５４の間の位相差に影響を与え、従って、２つの境界により反射された電子間に量子干渉をもたらす。従って、干渉計５５にわたる電流Ｉは、束Φに対して感受性をもつ。
【０００５】
図２に示す派生例では、干渉計をトランジスタに変換するために、さらなる電流リード６２、６３が提供される。干渉計にわたる電気コンダクタンスは、超伝導ワイヤにおけるバイアス電流Ｉｂにより制御される。
【０００６】
ＷＯ２０１２／００７７３６Ａ１は、このようなデバイスの超伝導部分が、アルミニウム（Ａｌ）またはニオブ（Ｎｂ）により作られることを教示する。Ａｌの自然酸化はパッシベーション層を形成するが、Ｎｂはより高い臨界温度Ｔｃをもつので、Ａｌが有益である。デバイスの常伝導部分がマグネシウム（Ｍｇ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カーボンナノチューブ、またはグラフェンにより構築されることが提案される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
改善された量子干渉デバイスを提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によると、常伝導体セグメントにより割り込まれた超伝導ループと、常伝導体セグメントに接続された干渉計とを備える量子干渉デバイスが提供され、超伝導ループは、複数のターン（ｔｕｒｎ）を含む。
【０００９】
本発明によると、常伝導体セグメントにより割り込まれた超伝導ループと、常伝導体セグメントに接続された干渉計とを備える量子干渉デバイスが提供され、超伝導ループが、２つ以上のローブ（ｌｏｂｅ）を備える。
【００１０】
本発明の例示的な実施形態は、添付図面を参照しながら以下でさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】当技術分野において知られた量子干渉デバイスを示す。
【図２】当技術分野において知られた別の量子干渉デバイスを示す。
【図３】当技術分野において知られた量子干渉デバイスの製造時に発生する問題を示す。
【図４】本発明の一実施形態における超伝導体と常伝導体との間の接合部を示す。
【図５】本発明の一実施形態における超伝導体と常伝導体との間の別の接合部を示す。
【図６】本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスを概略的に示す。
【図７】図６に示す量子干渉デバイスの一部の拡大図である。
【図８】本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスを概略的に示す。
【図９】本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスを概略的に示す。
【図１０】本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスを概略的に示す。
【図１１】本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスを含むグラジオメーターを概略的に示す。
【図１２】本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスを含むグラジオメーターのオンチップ構成を示す。
【図１３】本発明の実施形態に従った複数の量子干渉デバイスを含むグラジオメーターを概略的に示す。
【図１４】本発明の実施形態に従った複数の量子干渉デバイスを含むグラジオメーターデバイスのオンチップ構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
様々な図面において、同様な部分が同様な参照符号により示される。
【００１３】
本発明者は、図１および図２に示されるものなどの、デバイスの常および超伝導部分の間における接合部を信頼性高く形成する際に困難さが発生することを見出した。これは、超伝導ループ５１と常伝導体セグメント５２との間における接合部を示す図３を参照して説明され得る。例えばニオブにより作られた超伝導ループ５１が、まず、基材上に堆積され、次に、常伝導体５２が重なるように堆積される。常伝導体セグメント５２のための候補材料は、アルミニウム（１．２Ｋより高い温度において動作することを想定）およびアンチモンである。これらのうち、アルミニウムは取扱いが比較的簡単であり、アルミニウムの自己制限酸化挙動がパッシベーション層を形成するために有用であるので、アルミニウムは一見、好ましい。アンチモンは有毒物質であるが、アルミニウムより高い抵抗率をもち、このことは、常セグメントの抵抗が高くなるにつれて量子干渉デバイスの性能指数が改善するので有用である。しかし、本発明者は、アルミニウム層がニオブ層に重ねて堆積されるとき、アルミニウム層５２とニオブ層５１との間に信頼性の高い接合部を形成することが困難であることを見出した。空気にさらしたときに非常に急速にアルミニウム層に重ねて形成される自然酸化物層が、電気的接触を防ぐので、層の順序を反転することは不可能である。
【００１４】
本発明の例示的な実施形態に従った接合部は、図４に示す断面に描かれる。基材Ｓ上において、接合部の領域内にブリッジ層１００が提供される。基材Ｓは、標準的なシリコン基材であり得る。ブリッジ層は、望ましくは、−金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、もしくは銅（Ｃｕ）、またはそれらの合金などの−良導体により形成されるが、超伝導である必要はない。従って、常層１０１は、ブリッジ層１００のすべてではないがブリッジ層１００の一部に重なるように堆積される。超伝導層１０２が、常層１０１により接触されないブリッジ層の少なくとも一部に重なるように堆積される。従って、常層１０１と超伝導層１０２との間における電気接続は、ブリッジ層１００を通して実現される。
【００１５】
超伝導層１０２は、常層１０１に重なり得る。代替的に、図５に示されるように、超伝導層１０２と常層１０１との間に直接接触がないように、超伝導層１０２が常層１０１から分離され得る。従って、超伝導層１０２と常層１０１との堆積の順序は制約されない。
【００１６】
ブリッジ層は、さらに、超伝導層１０２および常層１０１のための材料についての選択の自由度を高める。ブリッジ層１００を介して電気接続が実現されるので、常層１０１と超伝導層１０２との間における界面の性質を考慮する必要がない。その代わり、常層１０１と超伝導層１０２との各々に対するブリッジ層１００の親和性が、接合部の性質を決定する。
【００１７】
金がニオブ（Ｔｃ＝９．２６Ｋ）、鉛（Ｔｃ＝７．１９Ｋ）およびアルミニウム（Ｔｃ＝１．２０Ｋ）を含む様々な超伝導材料に対する良好な電気接続を実現することが、本発明者により見出された。同様に、金がアルミニウム（１．２Ｋより高い温度において）、チタン（Ｔｉ）、およびそれらの合金などの常層として使用するのに適した材料に対する良好な電気接続を実現することが見出された。信頼性の高い接続が形成され得るので、本発明は、量子干渉デバイスを製造するコストの低減を可能にする。より高い生産効率の改善が、ブリッジ層を形成することに関与する追加的なステップの追加的なコストを埋め合わせる。
【００１８】
半導体製造において知られた標準的な処理ステップは、本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスを製造するために使用され得る。電子ビームリソグラフィおよびフォトリソグラフィが、パターン形成のために使用され得る。本発明は、特別に高分解能のパターン形成を必要としない。層は、スパッタリングおよび様々な蒸着技術などの技術により堆積され得る。
【００１９】
本発明は、ＳＱＵＩＤ、ＨｙＱＵＩＤ、およびアンドレーエフ干渉計を含む様々な異なる種類の量子干渉デバイスに適用され得る。本発明に従った量子干渉デバイスは、様々な目的のために、例えば、磁場（または、束）センサー、トランジスタ、キュービット、またはキュービットのための読み取りデバイスとして使用され得る。
【００２０】
本発明の一実施形態において、量子干渉デバイスのうちの少なくともいくつかの常部分は、チタンにより作られる。チタンは、アルミニウムがするような手法でさらなる酸化を防ぐ封止層を形成しなければ、化学的に活性であり、空気中で酸化するので、これまでこのような使用のための適切な材料とみなされてこなかった。従って、チタン層が経時的に完全に酸化して、その導電率に依存するあらゆるデバイスが機能しないこととなると想定される。
【００２１】
しかし、空気中におけるチタンの酸化により形成された酸化チタン層は、実際には無限に成長するわけではない。むしろ、成長速度が低下し、何年かの期間、おそらく約４年にわたって、酸化チタン層の厚さが約４０ｎｍで安定し、元のチタン層の厚さのものよりわずかに小さいものを費やした。従って、チタンのパッシベーション深さより大きな、例えば、４０ｎｍより大きな厚さの初期チタン層を提供することにより、そのことが、非酸化チタンの導電層が残ることを確実にし得る。一実施形態において、初期チタン層は、チタンのパッシベーション深さより大きな、少なくとも２０ｎｍの厚さをもつ。
【００２２】
本発明の実施形態に従った量子干渉デバイスにおいて、超伝導ループに割り込む常部分としてのチタン層の使用は、追加的な利点を提供し得る。チタン層が酸化するにつれて、その抵抗が高まり、デバイスの常部分の抵抗を高める。これは、デバイスの動作を改善する。
【００２３】
例えば束センサーまたは磁気計として使用可能な改善された量子干渉デバイス１５０が、図６に概略的に示される。量子干渉デバイス１５０は、常伝導体セグメント１５２により割り込まれた超伝導ループ１５１を備える。超伝導ループ１５１および常伝導体セグメント１５２はそれぞれ、上述の超伝導および常伝導材料のうちの任意のものにより作られ得る。常：超伝導接合部１５３、１５４は、常伝導体セグメント１５２の端部に形成される。干渉計を形成するために、交差体（ｃｒｏｓｓｐｉｅｃｅ）１５５が常伝導体セグメント１５２の中点に接続される。交差体１５５は、望ましくは、常伝導体セグメント１５２と同じ材料により、常伝導体セグメント１５２と同時に形成される。上述のように、束Φが超伝導ループ１５１に印加されたとき、交差体１５５の実効抵抗が超伝導体ループ１５１を通る束Φに周期的に依存するように、接合部１５３、１５４において反射された電子間に量子干渉が発生する。
【００２４】
束を測定するために量子干渉デバイス１５０を使用することに対する従来のアプローチは、交差体１５５を通して知られた電流を印加して、交差体にかかる結果として得られる電圧を測定することである。超伝導ループ１５１を通る束Φが変化するにつれて、それが交差体の抵抗における周期的な変化をもたらし、それを通る固定の電流において交差体にかかる電圧の周期的な変化をもたらす。抵抗の変動は交差体の全抵抗の数パーセントだけであり得るので、非振動電圧に重ね合わされる周期的な電圧変化、量子振動の相対振幅が同様に小さなものであり得る。従って、束の変化によりもたらされる電流の変動は、特に小さな束変化の場合、測定することが困難である。
【００２５】
量子干渉デバイス１５０において、交差体１５５がホイートストンブリッジ構成で配置されて、非振動電圧成分の値とは無関係に電圧変化の直接測定を可能にする。ノイズが長い接続リードにより拾われる可能性が防止され得るように、ホイートストンブリッジ構成は、量子干渉デバイス１５０と同じ基材に（すなわちオンチップで）直接形成され得る。さらに、ホイートストンブリッジがオンチップであるので、それは低温となり、熱雑音が実質的に低減される。前置増幅器が、量子干渉デバイス１５０に隣接して基材上にさらに提供されて、さらなるノイズ耐性を提供し得る。
【００２６】
図６に示されるように、抵抗器１５６は、交差体１５５に直列に位置する。抵抗器１５６は、交差体１５５の公称抵抗Ｒｓに等しい抵抗Ｒ２をもつ。抵抗器１５７、１５８の直列回路は、交差体１５５と抵抗器１５６との直列回路に並列接続される。抵抗器１５７、１５８の両方が抵抗Ｒ１をもつ。測定するために、端子Ｖ１が交差体１５５および抵抗器１５７の一端部に接続される。端子Ｖ２は、抵抗器１５６および抵抗器１５８の反対側端部に接続される。センサー出力は、交差体１５５と抵抗器１５６との間の接合部に接続された端子Ｉ１と、抵抗器１５７と１５８との間の接合部に接続された端子Ｉ２との間における固定のバイアス電流に対して、端子Ｖ１、Ｖ２にかかる電位差を測定することにより得られる。測定中のＩ１とＩ２との間における電流の相対変化を無視できる程度にするために、抵抗Ｒ１はＲｓよりはるかに大きくされる。
【００２７】
図７は、図６に示す回路が基材上でどのように実現されるかをさらに詳細に示す。量子干渉デバイス１５０は、超伝導ループ１５１を堆積して、次に、常部分を重ねることにより形成され得る。抵抗器１５６は、望ましくは、量子干渉デバイス１５０の常部分と同じ材料により形成される。それは、望ましくは、同じ公称抵抗をもつように、交差体１５５と同じ材料により形成され、交差体１５５と同じ形状をもつ。
【００２８】
絶縁パッド１５９は、超伝導ループ１５１上に位置する。伝導性トレースが、次に、交差体１５５の内側端部を端子Ｖ１に、および抵抗器１５７に連結するために適用され得る。抵抗器１５７と抵抗器１５８とは、長い蛇行部として抵抗器１５７と抵抗器１５８とを形成することにより、伝導性トレースと同じステップにおいて形成され得る。抵抗器１５２、１５８を形成する伝導性トレースは、図面に描かれるものよりはるかに複雑な経路を含み得る。望ましくは、抵抗器１５７と１５８とは、抵抗器１５７と１５８とが同じ抵抗をもつことを確実にするために、同じ寸法および形状をもち、同じステップにおいて形成される。抵抗器１５７と１５８との抵抗が等しいことは、抵抗器１５７と１５８との抵抗の厳密な値より重要である。
【００２９】
有益には、抵抗器１５６、１５７、および１５８は、同じ材料により、交差体１５５の非常に近くに形成される。従って、それらの抵抗間の関係が一定に留まるように、あらゆる環境変動、例えば温度変化が、交差体１５５と同じように抵抗器に影響を与える。測定されるのが常交差体の抵抗であるので、ハイブリッド量子干渉デバイスを使用したホイートストンブリッジ構成が可能である。従来のＳＱＵＩＤを使用すると、ホイートストンブリッジ構成は、超伝導ループに等しい抵抗をもつ常抵抗を必要とするので、実用的でない。
【００３０】
図６および図７に示すＨｙＱＵＩＤは、磁気計として使用されるとき、従来技術において使用されるようなトンネリング障壁を必要としないことに注意されたい。図６および図７に示すＨｙＱＵＩＤは、ＳＱＵＩＤに基づく磁気計より少ないステップを使用して製造され得る。
【００３１】
別の改善された量子干渉デバイス２５０が図８に概略的に示される。量子干渉デバイス２５０は、例えば、束センサーまたは磁気計として使用可能である。量子干渉デバイス２５０は、常伝導体セグメント２５２により割り込まれた超伝導ループ２５１を含む。干渉計を形成するために、交差体２５５が常伝導体セグメント２５２の中央に接続される。読み取りリード２５６、２５７は、交差体２５５の端部に接続される。
【００３２】
図８に示されるように、超伝導ループ２５１は、複数の入れ子ループを含むコイルの形態で提供される。図では、２つのループのみが示されるが、一実施形態は、必要な数のループを含み得、および／または、利用可能な空間内に収容され得る。ループは、同心であり得るが、必ずそうである必要はない。ループはすべて、共通エリアを囲む。より多くの束のリンクに起因して、変化する束により誘起される抵抗振動の振幅は、各ループの面積の差を修正した後、超伝導ループ２５１のループ数に概ね比例する。電気的接触なしで超伝導ループ２５１がそれ自体に交差することを可能にするために、絶縁パッド２５３が提供される。絶縁層を用意することにより、超伝導ループを縦方向に積み重ねることも可能である。また、離れた位置における磁場の測定を可能にするために、望ましくは超伝導であるピックアップコイル２５８が超伝導ループ２５１に接続され得る。
【００３３】
図９は、別の改善された量子干渉デバイス３５０を概略的に示す。量子干渉デバイス３５０は、常伝導体セグメント３５２により割り込まれた超伝導ループ３５１を備える。干渉計を形成するために、交差体３５５が常伝導体セグメント３５２の中点に装着される。読み取りリード３５６、３５７が、交差体３５５の端部に接続される。超伝導ループ３５１は、２つのローブ３５１ａ、３５１ｂを含む。２つのローブは、重なるのでもなく触れるのでもなく、互いに隣接している。それらは、直接隣接している必要はなく、近接している必要もない。２つのローブは、集積回路の同じ層内に利便性高く形成され得る。ピックアップコイル３６２は、第１のローブ３５１ａ内に提供され得る。ピックアップコイル３６２は、離れた位置において磁場を測定することを可能にする。フィードバックコイル３６１は、第２のローブ３５１ｂ内に提供され得る。フィードバックコイル３６１は、磁場、例えば漂遊磁場のキャンセル、および、信号を束変調することを可能にする。ピックアップコイル３６２およびフィードバックコイル３６１は超伝導である。
【００３４】
図１０は、別の改善された量子干渉デバイス４５０を示す。電流Ｉ１とＩ２との両方が、４５２の方向に流れ、Ｔ接合部において収束し、Ｉ３＝Ｉ１＋Ｉ２となる。量子干渉デバイス４５０は、常伝導体セグメント４５２により割り込まれた超伝導ループ４５１を備える。超伝導ループ４５１は端子４５４、４５５を備え、使用時に端子４５４、４５５に対してバイアス電流が印加される。常伝導突起４５３は、常伝導体セグメント４５２の中点に接続される。突起４５３の端部に接続された読み取りリード４５６と超伝導端子４５５との間に電位差Ｖを印加することにより、電流Ｉ３が、常伝導体突起４５３を通って流れる。常伝導体セグメント４５２における量子干渉により、電流Ｉ３は、超伝導ループ４５１を通る束Φの変化に依存した周期的な成分を含む。
【００３５】
常伝導体セグメント４５２および常伝導体突起４５３は、Ｔ字形干渉計を形成する。この構成は、超伝導ループ内における干渉計の分岐に対する接続体を必要とする十字形干渉計より少ないステップで形成され得る。
【００３６】
図１１は、本発明の実施形態に従った４ローブ型ＨｙＱＵＩＤ６１０を使用したグラジオメーター６００を示す。図１１において、超伝導導体は実線により示され、常伝導体は破線により示される。グラジオメーターは、それぞれの束変圧器によりＨｙＱＵＩＤに結合された、ピックアップ回路とフィードバック回路とをさらに備える。
【００３７】
ピックアップ回路は、超伝導ピックアップリード６０２を介して超伝導束変圧器６０３のピックアップ側に接続されたピックアップコイル６０１を備える。束変圧器６０３のピックアップ側は、ピックアップコイル６０１により誘起された電流がコイルセクション６０３ａ、６０３ｂにおいて反対の意味で流れるように接続された２つの超伝導コイルセクション６０３ａ、６０３ｂを含む。ピックアップコイル６０１と超伝導ピックアップリード６０２との間における接続は、オンチップ接触パッド６０４を介して形成され得る。ピックアップコイル６０１と任意の接続リードとは、超伝導である。
【００３８】
フィードバック回路はピックアップ回路をミラーし、測定信号を変調するために、または測定範囲を調節するために、ＨｙＱＵＩＤ６１０に制御される束が印加されることを可能にする。フィードバック電流源６２０は、オンチップ接触パッド６２２を介して超伝導フィードバックリード６２１に接続される。フィードバックリード６２１は、フィードバック束変圧器６２３に接続される。特に、フィードバックリード６２１は、コイルセクション６２３ａ、６２３ｂにおいて電流が反対の意味で流れるように、フィードバック束変圧器６２３のコイルセクション６２３ａ、６２３ｂに接続される。
【００３９】
ＨｙＱＵＩＤ６１０は、干渉計６１２の周囲において対称に接続された４つの超伝導ローブ６１１ａ〜ｄを備える。ローブ６１１ａ〜ｄは、重なるのでもなく触れるのでもなく隣接しているが、互いに近接している必要はない。ローブの構成は、中心に干渉計を備える四つ葉のクローバーに類似している。ローブは、長方形または丸みを帯びたものであり得る。４ローブ型ＨｙＱＵＩＤは、常セグメントを共有する２つの２ローブ型ＨｙＱＵＩＤとみなされ得る。
【００４０】
ローブのうちの２つの６１１ａ、６１１ｂは、ピックアップ束変圧器６０３のコイルセクション６０３ａ、６０３ｂのうちのそれぞれ１つに結合する、それぞれの超伝導セクション６０３ｃ、６０３ｂを含む。ローブのうちの別の２つの６１１ｃ、６１１ｄはそれぞれ、フィードバック束変圧器６２３のコイルセクション６２３ａおよび６２３ｂに結合する。漂遊磁場をキャンセルするために、グラジオメーターの左側部分、６１１ａ、６１１ｃを通る全磁束は、グラジオメーターの右側部分、６１１ｂ、６１１ｄを通る全磁束に等しくなければならない（図１１）。
【００４１】
干渉計６１２は、常伝導体により形成され、十字形状をもつ。接触パッド６１４、６１５において終端する常読み取りリード６１３ａ、ｂは、干渉計６１２の交差体にわたって電流Ｉが印加されることを可能にする。電位差Ｖが測定されて、出力信号を提供する。望ましくは、読み取りリード６１３は低抵抗である。図１２は、図１１に示すグラジオメーターが最小数の層を使用して集積回路上にどのようにレイアウトされ得るかをより詳細に示す。束変圧器６０３、６２３のそれぞれのコイルセクションに接続するために、ピックアップリード６０２とフィードバックリード６２１とがＨｙＱＵＩＤ６１０のローブに交差することを可能にするために、絶縁パッド６３０が提供される。誘導結合を最大化するために、束変圧器は、ピックアップリードおよびフィードバックリードにそれぞれ接続された、および、ＨｙＱＵＩＤ６１０のローブ内に位置する螺旋コイルにより形成される。
【００４２】
読み取りリード６１３ａ、ｂは、それらの抵抗を最小化するために、広いトラックとして形成される。１つの読み出しリード６１３ｂは、長尺絶縁パッド６３１を間に挟んで、他方の読み取りリード６１３ｂの上に折り返される。この構成は、電流リード内に囲まれたエリアを無視できる程度にする。これは、束に感度性のあるループに対する読み出しワイヤの誘導結合と、および干渉のピックアップとを最小化する。
【００４３】
図１３および図１４はそれぞれ、多ステージグラジオメーター７００の概略図およびチップレイアウトである。各グラジオメーターステージ７１０−１から７１０−Ｎは、図１１および図１２に示すグラジオメーター６００と同等である。ピックアップコイル６０１は、ピックアップ側束変圧器の各々に直列に接続される。同様にフィードバック電流源６２０は、フィードバック側束変圧器の各々に直列接続される。それらの抵抗が加算されて、従って、ピックアップコイルからの測定された信号を加算するように、グラジオメーターステージの干渉計が直列接続される。螺旋コイルと干渉計ループとの間における全誘導結合は、グラジオメーターステージの数に比例して上昇する。熱磁束ノイズは、ステージ数の平方根に逆比例し、その数にともなって減少する。この場合も、１つの読み出しリードが他方の上に折り返されて、囲まれたエリアを最小化し、従って、束に感度性のあるループに対する読み出しワイヤの誘導結合と、干渉に起因した誘導ノイズとを最小化する。
【００４４】
本発明の実施形態は、以下を含む。
【００４５】
Ａ）基材と、基材の上方に形成されたブリッジ層と、ブリッジ層の上方に形成された、およびブリッジ層の一部に直接電気的接触した超伝導層と、ブリッジ層の上方に形成された、およびブリッジ層の一部に直接電気的接触した常伝導層とを備える超伝導デバイス。本実施形態は、超伝導体と常伝導体との間における接合部を形成することについて改善されたアプローチを提供し得る。
【００４６】
Ｂ）ブリッジ層が、金、銀、銅、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、実施形態Ａに従った超伝導デバイス。
【００４７】
Ｃ）超伝導層が、ニオブ、鉛、アルミニウム、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、実施形態Ａまたは実施形態Ｂに従った超伝導デバイス。
【００４８】
Ｄ）、常伝導層が、チタン、アルミニウム、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、実施形態Ａ、実施形態Ｂ、または実施形態Ｃに従った超伝導デバイス。
【００４９】
Ｅ）常伝導層が、製造されたとき、望ましくは、チタンのパッシベーション深さに２０ｎｍを加えた厚さより大きな、例えば４０ｎｍの、チタンのパッシベーション深さより大きな厚さをもつチタンの層により形成された、実施形態Ｄに従った超伝導デバイス。
【００５０】
Ｆ）常伝導層が、その上に酸化チタンの層を含むチタンの層により形成され、酸化チタンの層が、４０ｎｍ以下の厚さをもつ、実施形態Ｄに従った超伝導デバイス。
【００５１】
Ｇ）超伝導層が、ループを形成し、常伝導層が、ループに割り込んでおり、常伝導層に接続された干渉計をさらに備える、先行する実施形態のいずれか１つに従った超伝導デバイスを備える量子干渉デバイス。
【００５２】
Ｈ）基材の上方にブリッジ層を形成するステップと、ブリッジ層の上方に、ブリッジ層の一部に直接電気的接触した超伝導層を形成するステップと、ブリッジ層の上方に、ブリッジ層の一部に直接電気的接触した常伝導体層を形成するステップとを含む、超伝導デバイスを製造する方法。
【００５３】
Ｉ）超伝導層が、常伝導層の前に形成される、実施形態Ｈに従った方法。
【００５４】
Ｊ）超伝導層が、常伝導層の後に形成される、実施形態Ｈに従った方法。
【００５５】
Ｋ）ブリッジ層が、金、銀、銅、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、実施形態Ｈ、実施形態Ｉ、または実施形態Ｊに従った方法。
【００５６】
Ｌ）、超伝導層が、ニオブ、鉛、アルミニウム、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、実施形態Ｈ、実施形態Ｉ、実施形態Ｊ、または実施形態Ｋに従った方法。
【００５７】
Ｍ）常伝導層が、チタン、アルミニウム、およびその合金からなる群から選択された金属により形成された、実施形態Ｈから実施形態Ｌのいずれか１つに従った方法。
【００５８】
Ｎ）常伝導層が、製造されたときに４０ｎｍより大きな厚さをもつチタンの層により形成された、実施形態Ｈから実施形態Ｍのいずれか１つに従った方法。
【００５９】
Ｏ）チタンの層が酸化することを可能にすることをさらに含む、実施形態Ｎに従った方法。
【００６０】
Ｐ）常伝導体セグメントが、製造されたときに、望ましくは、チタンのパッシベーション深さに２０ｎｍを加えた厚さより大きな、例えば４０ｎｍの、チタンのパッシベーション深さより大きな厚さをもつチタンの層により形成された、常伝導体セグメントにより割り込まれた超伝導ループを備える量子干渉デバイス。
【００６１】
Ｑ）常伝導体セグメントに接続された、および望ましくは、製造されたときに、チタンのパッシベーション深さに２０ｎｍを加えた厚さより大きな、例えば４０ｎｍの、チタンのパッシベーション深さより大きな厚さをもつチタンの層により形成された干渉計をさらに備える、実施形態Ｐに従った量子干渉デバイス。
【００６２】
Ｒ）常伝導体セグメントにより割り込まれた超伝導ループと、常伝導体セグメントに接続された干渉計とを備える量子干渉デバイスであって、干渉計が、ホイートストンブリッジの１つのアームを備える、量子干渉デバイス。
【００６３】
Ｓ）ホイートストンブリッジが、量子干渉デバイスと同じ基材上に形成された、実施形態Ｒに従った量子干渉デバイス。
【００６４】
Ｔ）ホイートストンブリッジが、干渉計に直列に形成された、および干渉計と同じ公称抵抗をもつ第１の抵抗器と、第１の抵抗器と干渉計とを備える直列回路と並列な、直列回路を形成する第２の抵抗器および第３の抵抗器とを備える、実施形態Ｓに従った量子干渉デバイス。
【００６５】
Ｕ）第２の抵抗器および第３の抵抗器が、同じ公称抵抗をもち、第２の抵抗器および第３の抵抗器の公称抵抗が、干渉計および第１の抵抗器の公称抵抗より大きい、実施形態Ｔに従った量子干渉デバイス。
【００６６】
Ｖ）第２の抵抗器および第３の抵抗器の各々が、蛇行する伝導性トレースにより形成された実施形態Ｕまたは実施形態Ｔに従った量子干渉デバイス。
【００６７】
Ｗ）常伝導体セグメントにより割り込まれた超伝導ループと、常伝導体セグメントに接続された常突起と、常伝導体セグメントの端部の反対側において超伝導ループに接続された電流端子とを備える、量子干渉デバイス。
【００６８】
本発明の例示的な実施形態について説明されるが、説明される実施形態に変更がなされ得ることが理解される。例えば、ブリッジ層が基材上に直接形成されるように示されるが、ブリッジ層は、例えば絶縁体といった他の層上に形成され得る。上述の異なるデバイスの特徴は、すべての実行可能な組み合わせで組み合わされ得る。本発明は、上述の説明により限定されず、むしろ添付の特許請求の範囲により限定される。
【００６９】
本発明は、２０１５年９月３日に出願された英国特許出願ＧＢ１５１５６２０．１に基づく優先権を主張し、同出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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