(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導トンネル素子であって、トンネリングが可能な少なくとも１つの第１のバリヤーと、トンネリングができない絶縁体と、制御層としての第１及び第４の超伝導体（Ｓ１，Ｓ４）と、第１超伝導体（Ｓ１）と第４超伝導体（Ｓ４）との間のトンネル層としての第２及び第３の超伝導体（Ｓ２，Ｓ３）とを備え、第１のバリヤー（Ｂ）は、トンネル層（Ｓ２，Ｓ３）の間の層として設けられ、トンネル層（Ｓ２，Ｓ３）は絶縁体（Ｉ）によって制御層（Ｓ１、Ｓ４）から分離されており、近接層（Ｐ１，Ｐ２）が通常の伝導、半導層または超伝導層からなり、そのエネルギーギャップが隣接している超伝導体（Ｓ２、Ｓ３）のエネルギーギャップよりも小さく、近接層（Ｐ１，Ｐ２）が、バリヤーとトンネル層（Ｓ２，Ｓ３）との間に設けられていて、近接層（Ｐ１，Ｐ２）の制御部（Ｐ）が設けられている、トンネル素子。
【請求項２】
バリヤー（Ｂ）の両側に対称的に、いずれの場合も外側に設けられている超伝導体（Ｓ１、Ｓ４）に、絶縁体（Ｉ）及び超伝導体（Ｓ０、Ｓ５）が追加されている請求項１記載のトンネル素子。
【請求項３】
片側に、最後の超伝導体（Ｓ４）に隣接して次の層が追加される請求項１記載のトンネル素子：絶縁体（Ｉ）
超伝導体（Ｓ５）
絶縁体（Ｉ）
超伝導体（Ｓ６）、バリヤー（Ｂ）、超伝導体（Ｓ７）。
【請求項４】
各超伝導体（Ｓ０〜Ｓ６）が各々超伝導接続を有する請求項１ないし３のいずれかに記載のトンネル素子。
【請求項５】
バリヤー（Ｂ）の両側の外側超伝導体が制御層として作用する請求項１記載のトンネル素子。
【請求項６】
バリヤー（Ｂ）の両側に設けられている三つの超伝導体（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２又はＳ３、Ｓ４、Ｓ５）の中心超伝導体（Ｓ１、Ｓ４）が制御層として作用し接続され、いずれの場合も外側超伝導体（Ｓ０、Ｓ２；Ｓ３、Ｓ５）が短絡ブリッジにより互いに接続され制御層から絶縁され、外側に設けられている超伝導体（Ｓ１、Ｓ６）の入力に有効電圧を供給し、出力で信号電流を採取できる請求項２記載のトンネル素子。
【請求項７】
短絡回路ブリッジが超伝導体である請求項６記載のトンネル素子。
【請求項８】
コンピュータ回路において、バリヤー（Ｂ）に隣接している超伝導体（Ｓ２、Ｓ３）が超伝導トンネル層として作用し、外側超伝導体（Ｓ１）が書込ラインとして作用し、追加層に隣接している超伝導層（Ｓ４）はトンネルループの一部として作用し、追加バリヤーに隣接している追加超伝導体（Ｓ６、Ｓ７）は追加バリヤーとともにジョセフソンコンタクトを形成し、該コンタクトは読出ラインとしてのさらなる追加超伝導体（Ｓ５）とともに回路を形成している請求項３記載のトンネル素子。
【請求項９】
請求項１から８の一つに記載の一以上のトンネル素子により形成され、いずれの場合も絶縁体により互いに分離しているトンネルスタック。
【請求項１０】
請求項２に記載の一以上のトンネル素子により形成され、いずれの場合もトンネルバリヤーにより互いに分離しているトンネルスタック。
【請求項１１】
各トンネル素子が個々に制御可能及び／又は切り替え可能である請求項９又は１０記載のトンネルスタック。
【請求項１２】
少なくとも二つのトンネル素子が共通に切り替え可能及び／又は制御可能である請求項９から１１の一つに記載のトンネルスタック。
【請求項１３】
請求項１から１２の一つに記載のトンネル素子及び／又はトンネルスタックのトンネルデジタル式超伝導電子カメラにおける使用。
【請求項１４】
請求項１から１３の一つに記載のトンネル素子及び／又はトンネルスタックの超伝導電子放射体における使用。
【請求項１５】
請求項１から１４の一つに記載のトンネル素子及び／又はトンネルスタックの超伝導電子放射はさみにおける使用。
【請求項１６】
請求項１から１５の一つに記載のトンネル素子及び／又はトンネルスタックの量子干渉システムにおける使用。
【発明の詳細な説明】
本発明はトンネル素子、それから製造されるトンネルスタック及びその使用に関する。
ＥＰ０５１３５５７Ａ２は超伝導トンネル素子、それから製造されるトンネルスタック及びそれに基づく使用を開示している。これらのトンネル素子は構造超伝導体、トンネルバリヤー、超伝導体を有し、各場合において二つの超伝導体内に絶縁された超伝導制御層が設けられている。この構造により超伝導体を通して制御層の均一で等質の電流誘導磁場の磁束が形成されるので、超伝導体のエネルギーのギャップが非常に正確に制御可能である。さらに、この素子の構造が対称的なので、複数の素子を集積することにより問題なくトンネルスタックを形成することができ、超伝導体及びバリヤーが互いに連続して交互に設けられる。しかしながら、この装置には多数の個別の層が設けられているという問題がある。従って、一つの超伝導体がすでに五層からなる（一つの制御層、制御層を絶縁するための二つの絶縁層及び二つの超伝導体層）。従って、このようなトンネルセルの製造は非常にコストがかかる。
従って、本発明の目的はＥＰ０５１３５５７Ａ２と比較して、制御性をほとんど損なうことなく、実質上、より簡単で安価に製造可能なトンネル素子を提供することである。
この目的は請求項１の特徴を有するトンネル素子により達成される。請求項２〜４には利点を有する設計のトンネル素子が記載されている。従属項５〜９はトンネル素子の利点を有する可能な回路を記載し、従属項１０〜１３は新規なトンネル素子から製造される利点を有するトンネルスタックを記載している。請求項１４から１７はトンネル素子の使用に関する。
以下に、トンネル素子、それらの回路及びトンネルスタック並びにその使用の本発明による実施例を詳細に説明する。
図面において、
図１は回路図とともにトンネル素子を示し、
図２は回路図とともにトンネル素子の変形例を示し、
図３は回路図とともにトンネル素子のさらなる変形例を示し、
図４は回路図とともに、コンピュータ回路用のトンネル素子のさらなる変形例を示し、
図５から８は各場合における個々のトンネル素子からなるトンネルスタックを回路図とともに示し、
図９は平行六面体の基板上のトンネルスタックフィールドを示し、
図１０はカセグレン式ミラーシステムを備えた枢軸運動可能なデュワーにおけるデジタル式の超伝導電子カメラの概略図を示し、
図１１は通常のミラーを備える超伝導電子可干渉性の放射体を示し、
図１２は位相共役ミラー及び周波数逓倍器を備える超伝導電子可干渉性の放射体を示し、
図１３は超伝導電子放射はさみの概略図を示し、
図１４はトンネルスタックベースのＲＦ−ＳＱＵＩＤの該略図を示し、
図１５はトンネルスタックベースのＤＣ−ＳＱＵＩＤの概略図を示し、
図１６はＤＣ−ＳＱＵＩＤ軸フィールドの概略図を示し、
図１７は量子干渉システムの回路図を示す。
図１に示されているトンネル素子は次のような対称的な層構造を有する。層型バリヤーＢの両側には層型超伝導体Ｓ２及びＳ３が設けられ、これらの自由面には層型の絶縁体Ｉが設けられ、これには層型の超伝導体Ｓ１及びＳ４が設けられている。各超伝導Ｓ１〜Ｓ４は個々に超伝導接続がなされている。超伝導体Ｓ２及びＳ３は超伝導トンネル層であり、制御可能な信号電流源Ａ及び有効電圧Ｕの制御装置に接続され、この制御装置の回路にはトンネルダイオード又はトランジスターが接続されている。
超伝導体Ｓ１及びＳ４はエネルギーギャップ制御Ｅの超伝導制御層として使用されている。電流誘導場はいずれの場合も超伝導層Ｓ２及びＳ３の全体に均一に行き渡る。本発明における層構造は最も密度の高い可能性を有するパッキングであり、二つの超伝導制御層により個々の制御原理を満たすことができる。層の数が少ないので、製造コストは比較的低く、このことは特にスタックが多くの個別トンネル素子からなる場合に有効である。
バリヤー又はトンネルバリヤーの概念として、これらの層によりトンネル化が可能であることが本願において理解される。対照的に、絶縁体の概念として、いずれの場合もこれらの層によりトンネル化が妨げられることが理解される。当業者であれば、このような違いは特に層の厚さを適切に選択することにより得られることがわかる。通常、絶縁層は５ｎｍ以上の厚さを有する。バリヤーは好ましくは５ｎｍ未満、特に１〜１．５ｎｍの厚さを有する。
また、図１によるトンネル素子から近接トンネル素子を製造することが可能である。これは図２に示されている。この場合、中心バリヤーＢと隣接しているトンネル層としての各超伝導体Ｓ２及びＳ３のとの間に、いずれの場合も通常、伝導性の又は超伝導性の層Ｐ１、Ｐ２が設けられ、これらの層はトンネル層Ｓ２、Ｓ３のエネルギーギャップよりも小さいエネルギーギャップを有する。近接層Ｐ１、Ｐ２の制御Ｐは別として、このようなトンネル素子の回路は変わらず、図１に示されているように形成されている。近接効果は超伝導層から隣接している通常の伝導体に及びその反対に可干渉長さに相当する範囲を有する。結果として通常の伝導体は超伝導性を備え、超伝導体の場合、臨界温度が低下する。近接トンネル効果はバリヤーと超伝導体との間に介在する層により生じる。通常、これらの中間層の厚さは２ｎｍまでである。近接トンネル回路において、トンネル状態密度は顕著に変化する。近接トンネルセルによってメソスコピック（mesoscopic）な量子現象による超伝導電子の適用を広げることができる。特に適用される領域は、Ｘ線及びγ線の検出であり、例えば光量子によるトンネルプロセスである。
近接効果は図３に示されているトンネルスタックの実施例にも使用可能である。中心バリヤーＢと隣接しているトンネル層としての各超伝導体Ｓ２，Ｓ３との間にいずれの場合も設けられている通常の伝導即ち半導層または超伝導層Ｐ１、Ｐ２は小さなエネルギーギャップを有する。その他の点において、このトンネル素子は図１に示されているトンネル素子と同じ基本構造を有する。しかしながら、いずれの場合も各外側超伝導体Ｓ１及びＳ４には絶縁体Ｉ及びさらなる各超伝導体Ｓ０、Ｓ５の層が追加される。このトンネル素子の場合、制御層としての超伝導体Ｓ１、Ｓ４はトンネル層としての二つの超伝導体Ｓ０、Ｓ２又はＳ３、Ｓ５の間に設けられ、それにより特に対称的な構造及び均等なフィールドが得られる。電流誘導場は中心から超伝導層Ｓ０、Ｓ２又はＳ３、Ｓ５に行き渡り、これは特にトンネル素子の完全な制御性能に関して利点を有する。この場合もすべての超伝導体Ｓ０〜Ｓ６は個々に超伝導接続を備える。このことにより多数の電子回路の有用な組み合わせが可能であり、この場合、関連のある局面は超伝導層と組み合わせられる回路だけではなく、直流並びに交流電圧の大きさ及び交流電圧の周波数である。制御は中心的に行われるので、特に均質のフィールドが形成可能である。
好ましくは、トンネル層としての各超伝導体Ｓ０、Ｓ２及びＳ２、Ｓ５は、好ましくは同様に超伝導に形成されている短絡ブリッジＫを介してバリヤーＢの両側に接続されている。各短絡ブリッジＫは層型の絶縁体Ｉにより制御層としての各超伝導体Ｓ１又はＳ４から分離されている。この素子の回路は図１及び図２に示されている回路に相当するので、詳細は説明しない。
図４はコンピュータ回路用のジュリマチソによる記憶原理を行うトンネル素子を示す（ジュリマチソ、ジョセフソンコンピュータテクノロジーＬＴ１５、１５９０〜１５９７ページ（１９７８））。このトンネル素子は図１に示されているような基本構造から生じ、即ち各超伝導体Ｓ１、Ｓ２及びＳ３、Ｓ４は絶縁体Ｉにより分離され、バリヤーＢの両側に設けられている。新規な点は一側に追加された層が隣接していることであり、この層は絶縁体Ｉ、超伝導体Ｓ５、さらに超伝導体Ｓ６、追加バリヤーＢ及びさらなる超伝導体Ｓ７である。この設計のトンネル素子を備え、超伝導体Ｓ２及びＳ３はトンネル層であり、超伝導体Ｓ１は書込ラインになり、超伝導体Ｓ４はトンネルループの一部になり、超伝導体Ｓ５は読出ラインであり、この場合読出ラインＳ５は、超伝導体Ｓ６、追加バリヤーＢ及び超伝導体Ｓ７からなるジョセフソンコンタクトとともに回路を形成する。各々、「二進数０」又は「二進数１」の記憶セルを表す。図４に示す回路においてＴはトンネル電流、Ｓは書込ライン、Ｌは読出ライン、Ｕは有効電圧制御を表し、この場合、トンネルダイオード及びトランジスタは有効電圧制御の回路に接続されている。
「書込」機能において、書込ラインは制御ラインとしてのトンネルループの上に位置している。読出ラインは制御ラインとしてのトンネルループの下に位置している。電流が書込ラインに流れるとトンネルループのトンネルコンタクトは通常の伝導状態になりループ電流をループの他の分岐線に変位させる。両方の電流がオフになると、コンタクトは再び超伝導性になり、磁界は「二進数１」を誘導する。素子内容「二進数０」を書き込むために、書込ラインは電流が流れていない状態である必要がある。ループ電流は、その後ループの両方の分岐線に別れ、有効ではなくなる。従って、恒久的な電流は形成されない。
「読出」機能において、電流は同時にトンネルループ及び読出ラインを通過する。素子が恒久的電流を含む場合は、ループの分岐線にループ電流が追加され、それにより読出ラインのトンネルコンタクトが制御される。読出ラインのコンタクトは通常の伝導性を備え、その出力に信号が現れる。トンネルループが「二進数０」を含む場合、ループ電流は両方の分岐線の間で対称的に分割される。従って、読出ラインにおけるコンタクトは超伝導性のままであり、信号はその出力に現れない。
上述のトンネル素子の各々はトンネルスタックに結合可能であり、この場合、個々のトンネルの回路を分離するための絶縁体又はバリヤーがいずれの場合も二つの隣接しているトンネル素子の間に設けられる。
図５は図１による三つの個別トンネル素子からなるトンネルスタックを示す。絶縁体ＩSはトンネルセルの間に設けられているので、超伝導制御層と超伝導トンネル層との間の寄生トンネル処理が抑制される。個々のトンネルセル内のトンネルバリヤーはＢtとして示されている。個々の層の残りの符号は図１に使用されている符号に相当する。特性の非線状部分に対して強度の制御はトンネル電流を無段階で制御し個々の超伝導トンネルセルへの電力供給を停止することにより行うことができる。個々の層のエネルギーギャップは個別に各々０から最大まで制御可能である。
図５から８に示されている参照記号は下記の意味を有する。
Ａ    信号電流
Ｅ    エネルギーギャップ制御
ＴＴ  トンネルダイオード又はトランジスタ
Ｕ    有効電圧制御
Ｋ    超伝導短絡ブリッジ
Ｉ    短絡ブリッジ用絶縁層
Ｔ    トンネル電流
Ｌ    読出ライン
Ｓ    書込ライン
図６は図２による三つの個々のトンネル素子からなるトンネルスタックを示す。絶縁体ＩSはトンネルセルの間に設けられている。
図７は図３による三つの個々のトンネル素子からなるトンネルスタックを示す。トンネルバリヤーＢtはトンネル素子の間に設けられている。
図示しないさらなる実施例において、絶縁体をトンネルバリヤーの代わりに設けてもよい。
図６及び７の近接スタックの場合、さらに興味深い特性を備えている。これらは主に多様な境界面効果である。さらに、使用されるのは様々な励磁機構効果の相互作用であり、いわゆるメソスコピックな現象であり、ｎｍ程度の大きさであり、境界面効果及びトンネル処理を備え、技術的に多様な検出機構のために使用される。考えられる用途はＸ線及びγ線のカメラである。
図８は図４による三つの個々のトンネル素子からなるトンネルスタックを示す。絶縁体ＩSはトンネル素子の間に設けられている。このようなトンネルスタックにより、高い記憶密度のデータ記憶が可能である。通常、このようなスタックは約４０、０００トンネル素子を備え、結果としてスタック高さは約２ｃｍである。約１μｍの（絶縁を備えた）スタックの直径で、２．５ｃｍの縁長さを有するトンネルスタックフィールド（図９参照）上に約２５．１０12トンネル素子が設けられている。一つのトンネル素子が１ビット記憶するので、メモリーは約３テラバイトの有効記憶容量を備える。
すべての超伝導体は個々に、好ましくは超伝導接続を備えているので、電子回路のいかなる有用な組み合わせも選択可能であり、この場合、プログラム制御を使用し、数学的に決定された最善の回路構造が問題対処のために実施可能である。結果として非常に可撓性を有するトンネルスタック回路が、超伝導電子工学の優れた器具となる。一般的に、トンネルスタックは個々のトンネルセルと全く異なる特性を有する。例えば、トンネルスタックの放射強度はスタックに増加される各トンネルセルに対して二次増加する。トンネルスタックシステムにおいて自己同期が有効になる結果、実質上、トンネル放射のライン幅はトンネルセルの数が増加すると漸次、狭くなる。
すべての超伝導回路において信号強さが低いことによる不都合はスタックにおいてトンネル素子の直列回路が理想的であることにより補償される。例えば、有効電圧が検出モードの条件を満たし、即ち２デルタより小さく、すべての層が同じエネルギーギャップで制御される場合、各層の合計は検出電力からノイズ電力が減じられる。検出器の場合、有用な信号の信号／ノイズ率は層の対の数に比例して改善される。トンネル素子の数がｎで検出モードの場合、ｎ個の異なる周波数が同時に検出され、その場合、各ｎ番目のトンネル素子は異なるエネルギーギャップを有する。ｎ個の異なる周波数は個々に設定可能である。センサ電流は入射光量子の数に比例して増加する。効率は単一体に非常に近い。
有効電圧が送信モードの条件を満たし、即ち２デルタより大きく、すべてのトンネル素子が同じエネルギーギャップで制御される場合、各追加トンネル素子の放射強さが合計される。トンネル素子の数がｎで、ｎ個の異なる周波数が同時に送信モードで送信され、その場合、すべてのトンネル素子は異なるエネルギーギャップを有する。ジョセフソン素子の出力電力が非常に低いので、所望の周波数を得るため、できるだけ多くのトンネル素子を組み合わせる必要がある。
各トンネル素子が個々に制御可能なので、「等しいエネルギーギャップを備えるすべてのトンネル素子」という選択肢または「異なるエネルギーギャップを備えるすべてのトンネル素子」という選択肢ばかりでなく「あらゆる選択可能な組み合わせ」という選択肢もある。従って、検出電力または送信強度を凝縮するために、選択可能な数のトンネル素子を組み合わせることにより、あらゆる選択可能な所望の周波数を得ることが可能である。
超伝導トンネル素子は所定の有効電圧でパラメトリック増幅器として作動する。各トンネル素子は個々に制御可能なので、例えば検出器モードと結合して超伝導トンネル素子は信号をパラメトリックに増幅することができる。この場合、放射と反対側に設けられている一又はそれ以上のトンネル素子が増幅に使用される。
各トンネル素子は、集積回路層として必要な制御ラインを有しているので、スイッチとしても適している。超伝導制御層に磁界を発生させることにより、トンネルコンタクトは通常の伝導性又は超伝導性に切り替えることができる。超伝導ベースのコンピュータに使用する場合は、トンネル素子に二つの独立した制御ラインを設ける必要がある。
トンネルスタックは異種配向（heteroepitactic）な超格子の形状に製造される。この目的で、まず例えば基板の材料は、格子定数に関して使用される材料に適合するように選択される。また、適当な超伝導体のミラーを基板上に形成することも可能である。超伝導体の十分な厚さを備える層は所定のスペクトル範囲に対するミラーとして従来のミラーよりも非常に効率がよい。超伝導ミラーによりスタックの性能レベルが改善可能である。次に実際のトンネルスタックを上述した基板上に形成することができる。これは、超伝導層及びバリヤー（薄い絶縁体）もしくは絶縁体（厚い絶縁体）の所定の順列の層からなる。
二つの超伝導トンネル層は薄いバリヤーにより分離しているので、トンネル処理が可能である。超伝導トンネル層に隣接している制御層は絶縁層により絶縁されているので、妨害トンネル現象が抑制される。
超伝導層は機能上、超伝導性が損なわれない程度の薄さが必要である。例えば、高温超伝導体の材料はｎｍの大きさの程度で特にコヒーレンス長さが短いので超伝導性を備えている。制御超伝導体の側面の絶縁体はトンネルを抑制する必要があるので、好ましくは約５ｎｍの厚さである。厚さは、放射透過性が可能な限り大きくなるように選択する必要がある。最も厳しい要件はバリヤーに課せられている。すべて絶対的に不透過性で１〜１．５ｎｍの厚さでなければならない。放射側の層は光学的に薄い層の条件を満たす必要があり、即ち超伝導層は操作時の放射の波長よりもさらに薄くなければならない。超伝導層の厚さは少なくとも材料の所定コヒーレンス長さに合わせて達成する必要がある。これは、スタック全体の厚さがμｍ程度であることを意味する。個々の層が非常に薄いので、スタック全体も薄膜状である。
トンネルコンタクトの表面積が小さいほど、障害から保護される。センサーシステムの目的として、トンネル表面は、少なくとも有効波長を有する所謂エアリディスクの第一回折リングの半径と同じ大きさである必要がある。電気回路の機構としては、数多くの小さな面を相互接続することにより所望のいかなる大きさの面も形成可能なので、エネルギーギャップによる最小波長から、いかなる長さの波長にも適合させることができ、到達できないことはない。個々のトンネル素子を６０ｎｍの厚さで製造した場合、例えば１０、０００トンネル素子のトンネルスタックは約０．６ｍｍの厚さであろう。
有効電圧及び信号電力の接続が超伝導トンネル層に設けられている。各超伝導トンネル層において環境から絶縁されるように設けられている超伝導制御層は、独自の電流ループに接続される。トンネルスタックのすべてのトンネル素子はこのように接続される。さらに二つの互いに向き合うスタックの側面には好ましくは切り替えコンタクトが設けられていない。このことに基づいて確実に、光学的な薄層によるカップリング以外に、フランクを介したバリヤーへの直接のカップリングも開放状態のままであることが意図されている。
トンネル素子を操作するために、バリヤーの両側に設けられている超伝導トンネル層にバイアス電圧をかけなければならない。このバイアス電圧によりモードが、検出、パラメトリック、増幅または送信に決定される。有効バイアス電圧は可変に制御されるエネルギーギャップに接続され、ナノボルトの大きさの程度に適正に制御されなければならない。
強度の無段階制御はトンネル電流を制御することにより行われる。制御のために超伝導成分を使用する代わりに、例えば精密電圧源に直列に接続されているトランジスタ回路により制御してもよい。特性の線状領域において、線状抵抗器により有効電圧を制御することができる。特性の非線状領域では、有効電圧はわずかしか変化しないが、トンネル電流は急激に上昇する。トランジスタが非線状特性フィールドを備えているので、トンネル電流を無段階に制御するために適切な制御素子をこのように形成することができる。
エネルギーギャップの大きさは超伝導体の励磁スペクトル内では、温度、存在している電磁界の大きさ及び流れている電流の大きさによる。制御は磁界または温度によって行ってもよい。
超伝導層のエネルギーギャップは電磁界の作用により変化、従って制御することができる。磁界は集積された超伝導制御層において発生する。この場合、電磁誘導制御場は均質で超伝導層に均一に行き渡る必要がある。これは超伝導層ができるだけ薄い必要があることの理由でもある。
超伝導制御層は温度によって制御することもできる。制御は二つの異なる方法で行うことができる。一つは、制御層上で高周波数の交流電圧により超伝導トンネル層を誘導加熱する方法である。第二の可能性は制御層において臨界電流を越えた後、加熱システムとして制御層を使用する方法である。次にトンネル層は熱コンタクトにより加熱される。超伝導層が非常に薄いので、超伝導体の非常に低い熱伝導性は無視することができる。温度変化によりエネルギーギャップを制御する場合、自由電子により温度は非常に高い周波数を越えて上昇し、従って臨界電流が低減される。温度によるエネルギーギャップ制御は、磁界による制御よりも周波数の設定値が急に変化するとともに、より多くの時間がかかる。
エネルギーギャップの変化は有効電圧に関する状態を変化させるので、有効電圧はエネルギーギャップの現在値に関連して制御する必要がある。
検出機能は電波が減衰することなく光学的な薄層を通過することを意味し、この場合、層はクーパーペアと相互作用する。このような相互作用により発振が強制され関係式ｈｆ＝ＤＥＬＴＡが満たされるとクーパーペアが破壊する。発生する交流電流は電波の周波数に厳密に比例する。
「送信」機能の場合、有効電圧は２デルタよりも大きいが、クーパーペアの結合エネルギーに相当するエネルギーと比較して、同じかそれ以上のエネルギーがクーパーペアに供給される。クーパーペアの結合エネルギーは超伝導体の励磁スペクトルにおけるエネルギーギャップＤＥＬＴＡに相当する。マイクロ波放射及び格子発振（極超音）が生じる。生じた電波の周波数及び格子発振の周波数はエネルギーギャップの大きさに厳密に比例している。バイアス電圧の大きさにより、広帯域もしくは周波数選択検出、パラメトリックな増幅もしくは送信、現行のエネルギーギャップの大きさに関連するバイアス電圧の大きさが決まる。
トンネルスタックにより検出もしくは送信が行われる場合、または多くのトンネル素子がパラメトリックに増幅する場合、有効電圧は正確な値を有する必要がある。所定の波長が選択された場合、エネルギーギャップは所定の正確な値を有する必要がある。有効波長また変換に続いて有効周波数は、超伝導体の励磁スペクトルにおける等価のエネルギーギャップにより達成される。超伝導トンネル層のエネルギーギャップは上述したように超伝導制御層の磁界または温度により制御される。制御パラメータは例えばエネルギーギャップのようなその他のパラメータにより、これらに関連しなければならない。トンネルスタックに多数のトンネル素子が設けられているので、また自動的であれ半自動的であれフィードバック機構を備えたもしくは備えていない制御構造を有する異なる設定及び適用機能と任意に組み合わせ可能なので、情報処理機能を有するプログラム制御を利用した方がよい。好ましくはプロセスコンピュータが使用され、この場合、すべての切り替え及び演算処理が超伝導回路に基づいている環境において、特に優れたレベルの性能が達成される。ニューロンネットワークを使用することにより性能レベルが改善される。
多様性を得るためには、多くのトンネルスタックＴＳをトンネルスタックフィールドＦに組み合わせる必要がある。図９に示されている平行六面体の基板上のトンネルスタックフィールドＦにおいて例えば２５、０００個のトンネルスタックＴＳを備えた２５、０００本のラインが２．５×２．５ｃｍの面に設けられている。平行六面体の基板において、トンネルスタックＴＳの後ろにデジタル式のコンタクト選択回路ＫＷ１が各トンネルスタックＴＳに対して設けられ、スタックにおけるすべてのトンネルセルを個別に又は選択された組み合わせで制御している。ＫＷ１に隣接して、すべてのトンネルスタックＴＳのデジタル式コンタクト選択回路ＫＷ２が設けられ、データ及び制御ラインＤＳに接続することにより平行六面体の背面に電子的にプラグイン接続されているが、これは従来の設置によるプラグインカードから周知である。
トンネルフィールドを配置するための表面の形状は任意に選択可能である。円形または正方形の表面が好ましい。一般的に、卜ンネルスタックフィールドは同様のトンネル素子またはトンネルスタックから組み立てられる。所定の用途の場合は、しかしながら、一つのフィールドに異なる設計のトンネル素子及び／又はトンネルスタックを組み合わせることもできる。
個々のトンネルスタックのように、トンネルスタックフィールドもコンタクトプレートに設けられ、背面には制御及び評価ロジックの空間が設けられている。これは従来の電子カードのようにモジュール構造により可能である。この構造により、例えばピコセカンドの大きさの程度の高い切り替え速度を達成でき、１ｃｍに対する信号送信時間が約１０-11秒と短縮可能であるという利点があり、これは特に超伝導電子工学上の利点である。
本発明はデジタル式超伝導電子カメラに好適に利用される。図１０はカセグレン式ミラーシステムを備えた枢軸運動可能なデュワーにおけるデジタル式の超伝導電子カメラの概略図を示す。
低温保持装置の一般的な構造は周知なので詳述しない。図１０に示されている参照符号は下記を意味している。
１  超伝導プラグ接続
２  通常の伝導プラグ接続
３  ジュール−トムソン原理に従った小型液化システム
４  液体窒素の入口
５  液体窒素の出口
６  超絶縁
７  プラスチック材料からなる衝撃減衰
８  真空
９  安全バルブ
１０  制御及び信号ラインの装備
１１  円蓋
１２  カセグレン式放物線状ミラー
１３  超伝導ベースのスクリーン
１４  トンネルスタックフィールド
１５  超伝導ベースの評価電子装置
実際のデジタル式超伝導電子カメラは次のアセンブリからなる。即ち各々一つのトンネルスタックフィールドを備えた一以上の平行六面体基板、トンネルスタックを操作するための電子制御システム、妨害フィールドに対する超伝導スクリーン及び制御並びに信号ライン。
各トンネルスタックは多スペクトル感応性の送信及び受信システムとして認識可能である。目標分解能に基づいて十分多くのトンネルスタックをフィールドまたは表面において一直線に設けた場合、形成された個々の信号点は組み合わせて像にすることができ、それによりカメラの視角内の空間の像をトンネルスタックフィールドにより映すことができる。各トンネルスタックは制限なく周波数選択状態で最小波長からより長い波長の方向へみることができるので、カメラは吸収が周波数に依存しているため透過特性を得る。カメラにより次の機能が可能である。即ち、所望の波長に基づく赤外線及びマイクロ波の像の生成、移行時間測定及び公式化された座標システムによる空間内の対象物体の精密な測量、及びスペクトルライブラリーのデータと比較することができる化学化合物のスペクトルの記録。従って、カメラは特に物体の位置選定、測量及び認識に使用することができる。
図１０においてカメラにはカセグレン式放物線状ミラーが設けられ、ミラーの焦点にトンネルスタックフィールドが位置している。当然、カメラはミラーなしでも使用可能である。さらに考えられる用途は、液体窒素の代わりに液体ヘリウムを使用して枢軸運動可能なデュワーにおいてカメラを使用することであり、この場合、さらに、液体窒素を使用した放射スクリーン（図示しない）が設けられている。カメラのさらに可能なスペクトル範囲は数ミクロンの短い波長から始まり、実質上に長波長領域に無限に延びることができる。この結果、物体のあらゆる選択可能な周波数に基づいて像を連続的に作成することができる。周波数を選択して、より長い波長に延長するので、カメラは物体の内部もみることができる。高い分解能でＩＲ及びマイクロ波を精密に測定できるので、データファイルに保存されているスペクトルと比較して化学的に分析することができる。ドップラー測定を使用することにより、ラジカルの速度が測定可能である。さらに、選択可能な周波数または選択可能な周波数のグループを使用した送信が可能であり、エコーを受信するまでの経過時間を測定することができ、このことにより空間検出が可能である。プランク放射曲線を測定し最大値を決めることにより、結果として目標位置の温度が演算可能である。赤外線及びマイクロ波のスペクトルを精密に測定することは特に重要である。なぜならば分子構造のすべての情報は赤外線又はマイクロ波スペクトルに含まれているからである。従って、全体を分析することによって、分子構造を観察した各スペクトルに関連づけることができる。異なる化合物が同じ赤外線スペクトルを有することはないので、スペクトルは指紋のように、未知の化学化合物を識別するための定性分析において信頼性が高く、分析は周知のスペクトルを有する周知の化合物のスペクトルと比較することによって行われる。制御されたパルス放射、例えば特別な超伝導トンネルスタックからの適切なマイクロ波により、多くの化学化合物を励磁させ、各々の回転スペクトルを模倣し、それにより化合物を認識することができる。一時的に低下している送信信号が数ナノセカンドの間隔で抽出されコンピュータにより処理される。
例えば水素、酸素及び窒素ガスのような非極性の化合物の場合、回転スペクトルを使用して検出できないが、分子の光量子を非弾性的に分散させることによって形成されているラマンスペクトルを使用することができる。ラマンスペクトルに基づいて、自己発振の周波数、慣性のモーメント及び分子の形状に関して調べることができる。カメラを使用し周波数を選択してみる場合、有効波長が増加するとカメラは物体に漸次侵入し、例えば像の作成処理のための情報を使用する。情報を得るために、すべての適切な波長を互いに別に使用した場合、物体の内部から情報を得ることもできる。また、例えば手術に使用した場合、傷の汚染部分と生きている部分とを区別することができる。
分子スペクトルを読み取り理解するためにカメラを使用する場合、放射力レベルは非常に低い。超伝導トンネル回路の感度が競合範囲を越えるので、非常に弱い信号を検出することができ、この場合、切り替えが高速で行われるので、切り替え回数が合計されても分解能は高い。従って、非常に微細な構造を備えた分子スペクトルが認識可能であり、このため混合スペクトルも識別可能である。
スペクトルを読み取るために、カメラは選択可能な記録速度でスペクトル範囲全体を横断する。記録速度は物理的処理が横断する回数により設定されている。座標軸の尺度は、測定可能な、または測定する必要のある微細構造により設定されている。横座標のスペクトルの尺度は例えば最も微細な構造を検出する波長部分により構成することができるであろう。縦座標は、最大強度を検出する必要があるが、それにもかかわらず強度の微細な分解能を得ることができるであろう。
像が多くのピクセルから形成される場合、トンネルスタックは一直線にフィールドに配列されるので、ピクセルとして情報を提供する一つのトンネルスタックから個々のピクセルが組み合わせられて多くのピクセルからなる一つの像になる。各トンネルスタックを個々に切り替えることができるので、カメラが行うことができる分析処理は物体を測量し識別するという範囲にまで及ぶ。
個々のトンネルセルの送信エネルギーは非常に低く、ナノワットからミクロワットまでの大きさの程度である。トンネルスタックにおける加算原理及び特別な設計のトンネル素子により送信エネルギーの程度は大きく増加することができる。
表面に対するトンネルスタックのパッキング密度は、トンネルの数、従ってピクセルの数により最大分解能がもたらされるように公式化する必要がある。回路が適応性を備えているので、単一のトンネル素子からピクセルを得ることだけではなく、ピクセルを作るために複数のトンネル素子を融合させることもできる。所望の条件に従って、このように融合させることにより新しいピクセルのための可変センサー面を作ることができる。
使用される波長がセンサー面に比べて大きくなる場合、長い波長のスペクトル範囲で作動するために空間により隔てられている複数のセンサー面を組み合わせることができるので、干渉法を使用して分解能を改善させることができる。組み合わせられたトンネルスタック面の間の距離は使用される波長よりもはるかに大きくなければならない。このことは、検出器を使用して２０ｍの砕石の下に埋まった人々を発見する必要がある場合、数メートルの表面積を有するセンサ装置が必要であることを意味している。
さらに本発明は超伝導電子可干渉性の放射体に適用される。図１１は通常のミラーを備える超伝導電子可干渉性の放射体を示す。トンネルスタックＴＳは複数の図１に示されている型のトンネル素子を備えている。また、図２又は図３によるトンネル素子から形成してもよい（図３の場合は近接層Ｐ１、Ｐ２を備えていてもいなくてもよい）。Ｐは基板において直列回路が設けられている圧電スタックを示し、ＳＮは圧電スタックＰに設けられている可動ミラーを示し、ＶＭは真空を示し、ＳＯは基板の表面を示し、ＳＰは外側から透過し及び内側からは半透過、即ち反射であるミラーを示す。
図１２は位相共役ミラー及び周波数逓倍器を備える超伝導電子可干渉性の放射体を示す。図１１による放射体に含まれている部品には同じ参照記号が付されている。追加で超伝導スクリーンＳＳ、基板Ｓ及び位相共役ミラーＳＫが設けられ、この場合、圧電スタックＰの間［間隙］に超伝導スクリーンＳＳ、基板Ｓ及び図１による個々のトンネル素子を備える二つのトンネルスタックＴＳが設けられている。しかしながら、トンネルスタックＴＳは図２又は図３によるトンネル素子から形成してもよい（図３の場合、近接層Ｐ１、Ｐ２が設けられてもいなくてもよい）。外側から透過し内側からは半透過であるミラーＳＰの前にさらに周波数逓倍器のために二つの二水素リン酸カリウムの結晶ＫＤＰ１及びＫＤＰ２が設けられている。当然、周波数逓倍器が必要ない場合は、図１２による放射体は二水素リン酸カリウムの結晶ＫＤＰ１及びＫＤＰ２を備えていない位相共役ミラーを有する超伝導電子可干渉性の放射体として形成することができる。
回路に関して図１１及び１２を参照する。すべての放射体は、平行六面体の所定基板、ミクロ圧電位置決めシステム、所定のトンネルスタック、共振システム、制御及び信号ラインの装備、ミクロ圧電位置決めシステム及びトンネルスタックを作動するための特別な電子回路装置を共有している。
スタックのトンネル素子は高いトンネル電流及び高い強度を得るために最適に形成されている。トンネルスタックにおけるトンネル素子の数から生じる強度は少なくとも、非線状位相共役ミラーが操作可能であり、必要な周波数または周波数のグループの正確に測定された放射エネルギーを供給することにより目標化合物の化学的性質に影響を及ぼすことができるような大きさに設定されている。放射体を物質交代における変調機能に適用する場合、単色光の可干渉性放射が必要であり、このため、部分波が全て同じ波長または同じ周波数を有する場合、マイクロ波ビームは単色光放射として定められる。用途に基づいて選択される波長又は周波数で化学作用に影響を及ぼすためには単色光の放射が必要がある。部分波がすべて異なる位相定数を有する場合はマイクロ波ビームは可干渉性を備え、このため、部分波の間には固定された位相関係が存在する必要がある。そうでない場合、部分波は互いに干渉できないからである。レーザー写真技術に適用する場合は、放射は可干渉性を備えている必要がある。
最大送信強度を得るために最適化されたトンネルスタックはマイクロ波共振器に組み込まれている。この場合、レーザー技術の共振原理が使用されている。共振器は共振又は固有周波数に対して最大値をとるエネルギーを貯えている。
作動波の周波数が共振周波数に等しい場合、定在波がミラーの間に形成され、共振器における放射密度は最大値をとる。従って、共振器は可変共振長さによりすべての周波数に変更可能である必要がある。平行六面体の基板において、各ミラーシステムが圧電スタックに設けられるのは、非線状結晶の形状を有する位相共役ミラーの場合である。好ましくは四波混合原理が使用される。位相共役を使用して、特に位相干渉及び光システムの収差を訂正することができる。スタックの他端、即ち放射側に超伝導材から形成されるミラーが好ましくは設けられているので、反射に対する超伝導性の利点を特に利用することができる。
トンネルスタックの物性により選択可能な周波数の放射を発生することができる。超伝導性の固定位相関係は可干渉性に関係し、共振システムは干渉により放射の単色性に関係する。図１２に示されている放射体の場合、放射体の放射特性は紫外線領域に及び、非線状結晶の周波数逓倍方法を使用している。二つのＫＤＰ結晶により、トンネルスタックの出力周波数の三倍の周波数が二段階工程で発生する。これは約０．２５０ミクロンの波長まで行うことができる。より高い周波数の場合は、結晶は透明ではない。発生する放射は単色光であり、可干渉性を備える。
位相共役ミラーは二つの工程に従って製造可能である。一つは四波混合であり、他方は誘電散乱である。位相共役ミラーは非線状光学ミラーであり、放射を所定の電力密度からのみ反射する。位相共役ミラーの場合、反射波は収束し、入射波に対向して「時間反転」で伝播する。このことは波が平面ミラーの反射規則に従わず、それ自体に戻ることを意味している。光システムの位相干渉は位相共役器により補償可能であり、共役器において光システムを二回反対方向に横断する。位相共役ミラーでは入射光の波頭と反射波は同じであるが、波頭の各位置における伝播方向は反対である。トンネルスタックに発生するマイクロ波放射は位相共役器に反射しスタックへ戻る。共振システムの干渉が起こることにより得られる所望の単色波はビーム経路から離れる。位相共役により有効増幅長さは二倍になると同時にトンネルスタックにおける位相干渉が除去される。さらに結果としてミラーの調整感度が低減する。位相共役器によりレンズのない像が可能である。
トンネルスタックの共振システムの長さは適応性を備えている必要がある。これはトンネルスタックシステムの有効波長を変更するためであり、妨害されないことが必要である。従って共振器システムの長さを各要件に適応させる必要があり、圧電技術がこれに適している。図１３に示されているトンネルスタックは共振器において選択された基板上に設けられている。すべてのプラグ接続はこの平行六面体の基板にあらかじめ形成されている。平行六面体基板は数ｃｍの側面長さ及び数ｍｍから数ｃｍの厚さを有する。トンネルスタックシステムを共振器に使用する場合、可動ミラーを圧電システム、好ましくは圧電スタックシステムの端部に、平行六面体基板の圧電位置決めシステム全体に沿って設けることが適している。圧電ミクロ位置決めシステムは専用の電圧供給源を備える必要があり、原子位置の部分の大きさの程度で精密に位置決めする必要がある。圧電スタックの長さは材料の最大拡大率まで電圧により変化する。長さは数秒間で又はそれよりも早く変化する。１ｍｍに対し約２００Ｖの電圧が必要である。電圧が数千ボルトと高いので、圧電素子が数ｍｍ伸縮する場合、超伝導スクリーンが必要になる。この目的で超伝導材料を備える圧電スタックが内包されている。
四波混合に基づく位相共役が意図されている場合、第二マイクロ波源が必要である。これは信号の反対側に同じ仕様を備える第二トンネルスタックを設けることによって達成される。順序は次の通りである。即ち圧電スタック、参照波を発生するトンネルスタック、非線状結晶、信号波を発生し位相共役波を読み出すトンネルスタック、片側に作用する半透過ミラー。実用するために最適化できる所定のトンネルスタックが実際の基板面である平行六面体基板の表面に設けられている。トンネルスタックは薄膜の寸法を有する。表面には放射方向に第二共振ミラーが設けられている。超伝導ミラーの利点は第二ミラーに使用可能である。第二ミラーは半伝導反射機能において片側に作用し、実際、内側にのみ作用しトンネルスタックに戻る。
小さな表面上に数多くのトンネルスタックによりフィールドを配置する場合の共振システムに関して三つ解決方法が適切である。
１．基板のすべてのトンネルスタックに可動ミラーを設け、トンネルスタックの反対側の端部にすべてのトンネルスタックに対して固定された又は可動の第二ミラーを設け（分離固定）、共振システムにはトンネルスタックが設けられていない。
２．各トンネルスタックの各端部に第二ミラーを設ける。
３．各トンネルスタックに対して、ミクロ位置決めシステムを好ましくはトンネルスタック上の最終層として設ける。
１の解決法の場合、すべてのトンネルスタックを一つの可動ミラーにより操作することができ、この場合、固定または可動第二ミラーは同様に比較的大きなミラーであり、すべてのトンネルスタックに対して作用し、別体として設ける必要があるであろう。この第二ミラーはスタックの端部で各スタックに対して設けられたとしても、この場合、すべてのトンネルスタックが同じ波長で作動する必要がある。
解決法３によると、トンネルスタック共振フィールドの物理的な最大の適応性が得られるが、各トンネルスタックにミクロ位置決めシステムを設けることにより、システム全体が可干渉性単色ビームのあらゆる選択可能な組み合わせを編纂することができる。個々のトンネルスタックはいずれの場合も一つの波長でのみ作動してもよい。組み合わせは多くのトンネルスタックにより選択されるが多様な波長を備え、各トンネルスタックにより個々に同時に送信することができる。
圧電素子又は圧電スタックの長さはミリメートルの大きさの程度であり、直径はミクロンの大きさである。従って、圧電スタックシステムはトンネルスタックよりもはるかに長く、直径及び長さはミクロンの程度である。圧電スタックの長さが増加すると、システムの長さも増加する。圧電スタック及びミラーの直径は各トンネルスタックの直径とほぼ一致する必要がある。
圧電ミラーシステム全体は平行六面体基板に含まれ、この場合、スタックと基板面との間にはミラーが移動できるように十分な空間を設ける必要がある。基板面の材料及び形状は、好ましくは赤外線及びミリメートルのスペクトルの放射を伝えるように選択し設計する必要がある。圧電スタックの間に絶縁材を固定する場合、スタックの作動を妨げないようにする必要がある。圧電素子は妨げられることなく伸縮可能である。これは例えば基板材を使用して共通の平面に作ることにより達成できるであろう。
基板の外側面にはトンネルスタックまたはトンネルスタックフィールドが設けられ、いずれの場合も第二ミラーは外側からの放射を伝え、これは一方向に伝えるウィンドウの原理に従って行われる。
新規な可干渉性放射体はレーザーシステムのような放射特性を有するが、スペクトル範囲全体に及ぶ。レーザーシステムに比べて波長又は周波数が任意に選択されるので、放射体は例えば医学、生物学及び化学分野に適用してもよい。適用分野にはレーザー写真術及びその干渉計も含まれ、この場合、レーザー写真干渉計は、干渉によって生じる明暗の縞模様が横断する物体の像に関し、模様は二つの状態の物体間の一定空間における線に相当すると理解される。レーザー写真干渉計は発振の分析に有用であり、材料のテストや例えば温度及び／又は圧力変化を受けるワークにおける変化の調査に使用される。各放射体は他のシステムの部品として使用してもよい。化学変化が精密なエネルギー入力及び精密な共振条件により生じる場合、この合成化学作用を同期的に、異なる放射エネルギーと共振条件との任意に選択可能な合計を使用して変調することが好ましいであろう。このことはトンネル共振フィールドによって可能であり、このフィールドは他のシステムの部品として使用してもよい。
図１３は生物細胞に使用されるミクロ位置決め装置、即ち以下に述べる超伝導電子放射はさみを示す。参照記号１から１１は図１０において説明した意味を有する。さらに、放射はさみは個々に枢軸運動可能な可干渉性超伝導電子放射体１６及び細胞１８に定在波１９を誘導させるビーム１７を有する。定在波１９は生物細胞の内側に細胞器官を位置づけ、その最小値及び最大値が空間に固定される。
このように超伝導電子放射はさみは主に単色及び可干渉波の超伝導電子放射体から形成される。トンネルスタックを使用する結果得られる高い適応性により確実にすべての波長で精密に作動することができる。これに基づき、超伝導送信及び受信システムを分析及び診断補助器具として使用することにより、現在の測定結果を常にフィードバックしながら閉じられた細胞において微細な作業を行うことができる。個々に調節可能な定在波を組み合わせて放射はさみに使用することにより上述したように例えば細胞器官を位置づけることができる。超伝導電子放射はさみは次のアセンブリからなる。即ち、超伝導電子可干渉性放射体のフィールドを備えた球状の装置における複数の平行六面体基板、放射体の精密調整装置、トンネルスタックを操作するための電子制御、圧電スタックを操作するための電子制御、干渉フィールド及び供給ライン（制御及び信号ライン、図１１及び１２の回路図も参照）の装備に対する超伝導スクリーン。
実用の放射はさみは、複数組の部品を様々な角度に位置づけることにより形成されているので、複数の側面及び様々な角度から微細な位置決めを行うことができる。放射はさみを制御することにより処理するべき細胞に定在波をもたらす必要があり、定在波は維持され、位置決め操作において制御される。
本発明はまた量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）にも使用できる。ＳＱＵＩＤは超伝導量子干渉装置の略語である。ＳＱＵＩＤの機能はジョセフソン効果に基づく。ジョセフソン素子は超電流が誘導される超伝導リングを妨げる。
トンネルコンタクトに妨げられる超伝導ループはＲＦ−ＳＱＵＩＤと称す。二つのトンネルコンタクトに対称的に妨げられる超伝導ループはＤＣ−ＳＱＵＩＤと称す。ＳＱＵＩＤを設置することにより磁界強さの１６の程度で磁界を測定する場合の感度が得られる。フィールド境界の検出限界は約１０−１５テスラであり、最小フィールド差及び最小フィールド強さを測定することができる。従って、このようなＳＱＵＩＤシステムが適用されるのは、内科治療におけるような非常に弱い磁界であり、例えば古い廃棄物の発見及び堆積物の探索に使用される。
電磁界が超伝導リングに作用する場合、超電流がリング内に発生する。フィールドは超伝導体の所定の深さに浸透し、所定のフィールド強さで超伝導が破壊される。リングが超伝導トンネルコンタクトに妨げられると、トンネルコンタクトの臨界電流は小さいので臨界電流に達し、接点は通常の伝導性になる。即ちリング内の電流の流れが遮断される。トンネル素子を流れる超電流により超伝導トンネル層の間に設けられている超伝導制御層に電圧が生じるので、制御層は誘導コイルとして機能し、信号電圧の接続を断つ。スタックにｎ個のトンネル素子が設けられると、各電流の流れに応じてｎ個のトンネル素子においてトンネル電流はいずれの場合も集積制御層に電圧を誘導する。スタックにおいて制御層を直列に設けることにより、生じた電流はトンネル素子の数に基づいて合計される。好ましくは、トンネルスタックにおけるトンネル素子の数は、従来の前置増幅器が不必要になるように選択する。さらに、トンネルスタックの一以上のトンネル素子を、信号がリングにある間にその信号をパラメトリックに増幅するように切り替えることができる。
図１４はトンネルスタックに基づくＲＦ−ＳＱＵＩＤの図である（図１による二つのトンネル素子が設けられているが、図２又は図３によるトンネル素子を使用することもできる。図３の場合、近接層Ｐ１、Ｐ２を設けても設けなくてもよい）。この場合、信号電圧Ｕは超伝導性の連続的に接続されている制御層により誘導的に採取される。図１５はトンネルスタックに基づくＤＣ−ＳＱＵＩＤの図である（各々、図１による二つのトンネル素子が設けられているが、図２又は図３によるトンネル素子を使用することもできる。図３の場合、近接層Ｐ１、Ｐ２を設けても設けなくてもよい）。この場合、信号電圧Ｕはトンネル電圧を介して連続的に採取される。
図１４に示されているＲＦ−ＳＱＵＩＤシステムはトンネルスタックに妨げられる超伝導リングからなる。信号電圧は直列回路において、トンネルスタックに設けられている超伝導制御層を介して合計され、信号処理に供給される。ＲＦ−ＳＱＵＩＤにトンネルスタックを使用することによる利点は信号電圧が合計される点である。信号電圧の大きさは３から４の位、高いので、いかなる効果な電子増幅システムも必要ではない。従って、実質上よりコンパクトなＲＦ−ＳＱＵＩＤシステムが制御された状態で多数の機能に使用可能である。
ＤＣ−ＳＱＵＩＤシステムは図１５に示されているように二つの対称的に設けられたジョセフソントンネル素子を有しスタックにおけるすべてのトンネル素子の直列回路のトンネル電圧を合計する。所定の電圧を両方のスタックの制御層に加えると、二つのトンネルシステムを調節することができる。トンネルスタックのみでは３から４の位、大きい信号電圧が供給され、その結果、高価な電子増幅システムが不必要になる。ＲＦ−ＳＱＵＩＤの一つのトンネルスタック又はＤＣ−ＳＱＵＩＤの二つのトンネルスタックの各々は平行六面体基板に取り付けられている。自由なリング部分は信号方向に設けられている。ＳＱＵＩＤシステム全体は低温保持装置に設けられている。
超伝導電子トンネル回路の感度は高いので、空間における目標間距離の測定値の位は大きくてもよい。例えば所定の長さ及び幅を有する地形のある区分をあらかじめ定める。探索するべき物体（古い廃棄物）が地中の様々な深さに位置しているとする。検出するために、この区分を所定数の帯部分に分割し、車両または飛行機で横断する。帯部分の幅は視界及びセンサーシステムの分解能により、好ましくは少なくとも車両幅に相当する。像を生成する工程を識別可能に公式化するために、フィールドセンサーは調査するべき空間の領域を走査する必要がある。いずれの場合も表すべき地表の視界を所定数の線からなるネットワークに分割できるであろう。次に所定数の測定点が線上に設けられるであろう。格子の密度、即ち線上測定点の密度及び線の間の空間幅は、測定感度、探索するべき面積の大きさ及び距離の関数として最適化されるであろう。単一のセンサーを使用する場合、探索するべき領域の各測定点を通過する必要がある。これは次のように行われる。
１．領域の線上を個々のセンサで横断する。この場合、センサーは水平方向にのみ移動する。この工程により目標物のフィールドの大きさに関するデータを含むラスターフィールドが得られる。さらに、同じ目標物の測定可変値に関して、目標物からの方向及び距離を三角関数法を用いて決めることができる。
２．単一のセンサーがさらに二つのセンサーにより拡張され、各センサーはデカルト座標システムの三軸の方向に配列される。三台のＳＱＵＩＤセンサーに測定された電圧は角度の関数となり、信号の方向に関する情報を含む。この工程は各測定点で行われる。単一のセンサーをセンサー面に取り替え、センサー面の上にＳＱＵＩＤセンサーを線状に設ける。この場合、センサー面の寸法は自動三角関数計算を必要な精度で行うことができるような大きさである必要があり、このため、数ｃｍから約１ｍの寸法が必要である。ＳＱＵＩＤフィールドの占有密度により物体の分解能が決められる。
領域の線状走査はＳＱＵＩＤフィールドの線構造を走査することにより行うことができる。この場合もセンサー面は三つに拡張され、デカルト座標システムの三軸の方向に配列することができるであろう。
大きな空間の場合、好適にはＳＱＵＩＤフィールドを球状面、例えば四半球に設けてもよい。空間は空間極性座標から走査できるであろう。部分的な球状面上でＳＱＵＩＤフィールドは空間に均一に配列され、占有密度は所望の分解能に応じて決められる。測定データは、平面ＳＱＵＩＤフィールドシステムのように線状に読むことができる。ＳＱＵＩＤベースのセンサーシステムは適合する冷却システムに組み込む必要があり、運ぶことのできる装置アセンブリに取り付けることができる。装置アセンブリは耐震振動性を有し、さらに電池緩衝を備える独立した電力供給を有し、外乱から適切に保護されている。球体に設ける代わりに、ＳＱＵＩＤシステムはチューブ部分に設け、例えば内科治療で患者の撮像に使用することができる。
磁界測定に基づいて物体の位置選定、探索及び調査を行う像制御工程の前提条件は、空間の測定点及びこれに関連する物理測定値の座標を特定することにより満たされる。フィールドの方向及び目標物から放射されるフィールドの原点の距離はその他のいかなる工程とも異なる精度で測定される。次に目標物の測定信号を信号分析及び像生成工程に直接、使用することができる。距離の決定及び目標物の概略の探索も像生成工程に関連がある。座標システムを導入することにより、空間に配向されている実寸で構造の像が形成され、目標物が容易に認識される。デジタル信号は超伝導デジタル技術により処理され評価される。
医学的な磁界測定、例えば心臓を測定する場合、パルス間隔、パルス幅、パルス反復間隔及び振幅揺動内の微細構造を分析することができる。
例えば、内科医は心臓その他の器官の非常に小さな傷をみることができるであろう。橋の建設業者は構造物の非常に微細なひび割れを発見することができるであろう。
ＲＦ−ＳＱＵＩＤフィールドシステムの構造は、主にトンネルスタックにリングが設けられているという点で超伝導カメラと異なる。
各測定点の角度及び距離を決めることができるように、いずれの場合も二つの縦に配列されたＲＦ−ＳＱＵＩＤシステムが互いに接続されることによりＳＱＵＩＤフィールドを形成する。いずれの場合も角度決定には一つのＲＦ−ＳＱＵＩＤで十分である。二つの参照ＲＦ−ＳＱＵＩＤシステムの間隔が大きいほど、各測定点で測定される角度は正確になり、物体からの距離も正確になる。
ＤＣ−ＳＱＵＩＤ軸フィールドの構造の概略が図１６に示されている。ＤＣ−ＳＱＵＩＤフィールドシステムは安定したフィールドのフィールド勾配を測定し、特にフィールド方向を好適に決めることができる。
複数の互いに係合しているＤＣ−ＳＱＵＩＤ素子によりＤＣ−ＳＱＵＩＤ軸が形成される。いずれの場合も一つのＤＣ−ＳＱＵＩＤ軸が三軸の長さ、幅及び高さに対して設けられている。軸内の一対の内部ＤＣ−ＳＱＵＩＤは最小測定距離を有し、一対の外部ＤＣ−ＳＱＵＩＤは最大測定距離を有する。電磁界強さの電位差が測定される。三軸を利用した測定により個々の源を識別し、距離を決めることができる。
ＤＣ−ＳＱＵＩＤフィールドシステムの超伝導電子装置は次のアセンブリを備える。即ち低温保持装置、該装置内に設けられている円蓋は立方体全体に適する必要がある。さらに、平行六面体基板上の三つのＤＣ−ＳＱＵＩＤ軸、トンネルスタックＳＱＵＩＤ回路を操作するための電子制御システム、干渉フィールドに対する超伝導スクリーン及び制御並びに信号ラインを備える供給ラインを含む装備。
量子干渉システムの構造が図１７の回路図に示されている。量子干渉システムは線として平行に接続されているｎ個のトンネルスタックを備える。この場合、ｎは整数であり、ｍｍあたり千以上のスタックを表す。この状況において、１０ｃｍの長さを有する線は約１００万個のトンネルスタックを含む。これらの線は光学格子の状態でミクロンの空間に何千も設けることができ、それにより量子干渉システムが形成される。この干渉システムにより、物理学に周知の最も正確な磁界測定が可能である。
量子干渉システムの超伝導電子装置は次のアセンブリを備える。即ち、低温保持装置、該装置内に設けられている円蓋は立方体全体に適する必要がある。さらに、図１７に示されているように平行に接続されているｎ個のトンネルスタックの線状配置を備える一以上の平行六面体基板上、トンネルスタック干渉回路を操作するための電子制御システム、干渉フィールドに対する超伝導スクリーン及び制御並びに信号ラインを備える供給ラインを含む装備。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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