ФЛАКСОННЫЙ БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР
FLUXON BALLISTIC DETECTOR

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).
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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».
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
2
3
Детектор может характеризоваться еще и тем, что в качестве материала слоя изолятора использован оксид алюминия AlO.
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.
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.
Изобретение поясняется чертежами.
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).
J
На фиг. 2 представлена схема поперечного сечения двух длинных (размер больше джозефсоновской длины λ 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.
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.
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).
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).
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).
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.
Осуществление изобретения.
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.
J
На фиг. 3 показано, как может быть выполнена джозефсоновская передающая линия на основе цепочки сосредоточенных (размер много меньше джозефсоновской длины λ) элементов, что должно упростить сопряжение этой линии с генератором и приемником одноквантовых импульсов.
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.
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.
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).