ФЛАКСОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ДЕТЕКТОР

Полезная модель относится к криогенной электронике и может быть использована в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах (в том числе и квантовых) для измерения слабых магнитных потоков (менее 0,1 кванта магнитного потока) при относительно слабом обратном влиянии на объект исследования.
Для детектирования слабых магнитных полей активно используются устройства на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД, от английского SQUID - Superconducting Quantum Interference Device), которые имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, а также совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами в комплексе приема и обработки сигнала. Такой СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта, причем набег фазы сверхпроводящего параметра порядка по контуру связан с полным магнитным потоком через упомянутое кольцо. В зависимости от предполагаемых применений СКВИД включает различные согласующие и измерительные устройства.
Развитие современных технологий поставило задачу по созданию на основе СКВИД-структур детекторов, способных фиксировать магнитные поля от наноразмерных объектов (например, сверхпроводящих потоковых кубитов) и крупных молекул.
Из анализа уровня техники известен метод считывания состояния потоковых квантовых битов - искусственных мезоскопических атомов, для которых характерные частоты переходов между стационарными состояниями лежат в гигагерцовом диапазоне - при помощи двухконтактного сверхпроводящего квантового интерферометра и системы преобразования магнитного потока [заявка на патент WO 2012064974 А2, опубл. 18.05.2012].
Из анализа уровня техники также известен прибор для измерения характеристик магнитного поля (нано-магнитометр) на основе СКВИДа с двумя сверхпроводящими кольцами [патент US 7863892 В2, опубл. 04.01.2011], что обеспечивает увеличение чувствительности при работе с объектами исследования малых размеров.
Также описан метод создания СКВИДа с характерным размером ключевых элементов порядка 100 нм [заявка на патент US 20100097056 А1, опубл. 22.04.2010].
Недостатками вышеописанных систем является их сильное обратное влияние на объект исследования и невозможность реализации «быстрых» и неразрушающих измерений состояний квантовых объектов.
Принципы согласования входных и выходных цепей усилителя-преобразователя на основе СКВИДа с нагрузкой подробно исследованы для диапазона до 0,1 ГГЦ [патент JP 61115536 А, опубл. 03.06.1986].
В документе [патент JPH 01245605 А, опубл. 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 (рабочая температура 4,2 К) СКВИДе реализован магниторезистивный принцип усиления, 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 и амплитуд измеряемых сигналов [патент DE 4003060 А1, опубл. 08.08.1991].
Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования магнитного сигнала в напряжение (крайне необходимая в ситуациях, когда необходимо выделять интересующий нас слабый сигнал на фоне сильного «шума») для устройств на одиночном низкотемпературном СКВИДе недостаточны для современных высокочастотных приложений. Также 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 уровне техники [патент US 7095227 В2, опубл. 22.08.2006] также 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 [патент US 8179135 В2, опубл. 15.05.2012], а также в качестве входного блока сверхпроводниковых аналого-цифровых преобразователей [патент US 7928875 В2, опубл. 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 документе [патент US 7453263 В2, опубл. 18.11.2008] предложена специальная схема обратной связи, содержащая дополнительный джозефсоновский контакт, однако предложенный метод улучшения усилителя на основе СКВИДа существенно ограничивает максимальную рабочую частоту и, соответственно, портит временное разрешение для использующего этот принцип детектора.
Возможно также использование СКВИДа в качестве перестраиваемого элемента колебательного контура параметрического усилителя [заявка на патент JP 2009225213 А, опубл. 01.10.2009].
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.
Из анализа уровня техники также известны предложения по использованию усилителей-драйверов для гигагерцового диапазона (до десятков ГГц) на основе цепочек СКВИДов, разделенных на изолированные от земли пары, для уменьшения паразитных емкостей в системе [патент US 6486756 В2, опубл. 26.11.2002].
Однако такие усилители пригодны лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала.
Также полезным для дальнейшего изложения является усилитель сигналов быстрой одноквантовой (БОК) логики, преобразующий их на выходе в импульсы напряжения достаточной для использования полупроводниковой электроникой величины, в основе функционирования которого лежит техническое решение [патент US 6917216, опубл. 11.04.2003], работающее на разделении и переотражении выходного БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения.
Однако 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 документе [заявка на патент WO 2012123642, опубл. 20.09.2012] описан низкошумящий усилитель с чувствительностью, близкой к квантовому пределу. В основу принципа работы этого усилителя положено использование одного джозефсоновского контакта, 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 М. et al. Magnetic Anisotropy of a Single Cobalt Nanocluster / Physical Review Letters, 2001, V. 86, N. 20, pp. 4676-4679].
Схема баллистического детектора, предложенного в работах ряда авторов [Averin D. V. et al. Rapid ballistic readout for flux qubits / Physical Review B, 2006, V. 73, pp. 094504-1÷094504-12; Herr A. et al. Design of a ballistic fluxon qubit readout / Superconductor Science and Technology, 2007, V. 20, pp. S450-S454], 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 контакты, по каждому из которых распространяется солитоноподобная волна токов и напряжений (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 такой схемы баллистического детектора с точки зрения максимизации соотношения сигнал-шум 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 две 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 K.G. et al. Josephson vortex coupled to a flux qubit / Applied Physics Letters, 2013, V. 102, pp. 132602-1÷132602-4; Fedorov KG. et al. Fluxon Readout of a Superconducting Qubit / Physical Review Letters, 2014, V. 112, pp. 160502-1÷160502-5] использовалась одиночная кольцевая ДПЛ и измерялось отклонение циклической частоты вращения флаксона.
К недостаткам этого подхода необходимо отнести отсутствие зависимости отклонения частоты детектора от знака измеряемого поля (полярности индуцированного токового диполя), что приводит к невозможности различения квантовых состояний объекта исследований.
Заявляемое изобретение лишено указанного недостатка и позволяет реализовать измерение сверхслабых сигналов за счет воздействия магнитного поля от объекта исследования на динамику флаксонов одновременно в двух джозефсоновских кольцевых ДПЛ.
Технический результат настоящего изобретения заключается в возможности определения и абсолютной величины, и направления эффективного магнитного момента исследуемой квантовой системы. Дополнительный технический результат состоит в уменьшении обратного влияния детектора на объект исследований, что особенно важно для применения в устройствах обработки квантовой информации.
Указанный технический результат достигается флаксонным кольцевым детектором, который включает два источника постоянного тока для системы задания рабочей точки, два генератора флаксонов, две системы детектирования микроволнового излучения, две джозефсоновские передающие линии в виде кольцевых контактов, соединенные сверхпроводящей перемычкой, связанной магнитным образом с объектом исследования.
Устройство является сверхпроводящим квантовым интерферометром, у которого вместо сосредоточенных джозефсоновских контактов используются кольцевые ДПЛ. В каждое кольцо симметрично задаются флаксоны, причем для минимизации обратного влияния флаксоны вращаются в противоположных направлениях. Откликом на сверхслабое магнитное поле от объекта исследований будет отклонение частоты вращения флаксонов (одинаковой в обоих кольцах - частота выравнивается за счет сверхпроводящей связи колец) от изначальной и сдвиг фазы колебаний.
В одном из предпочтительных вариантов детектор характеризуется тем, что джозефсоновские передающие линии выполнены каждая в виде образующей кольцо 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.
В одном из предпочтительных вариантов детектор характеризуется тем, что джозефсоновская передающая линия выполнена каждая в виде замкнутой в кольцо 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.
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 также может характеризоваться тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет 50-500 нм.
Кроме того, предлагаемый детектор может характеризоваться еще и тем, что толщина слоя изолятора составляет 1-20 нм.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема детектора на основе одной кольцевой джозефсоновской передающей линии (вид сверху).
j
На фиг. 2 изображена принципиальная схема детектора на основе двух джозефсоновских кольцевых передающей линии (вид сверху), связанных с объектом исследований предложенным симметричным образом через сверхпроводящую перемычку; также здесь представлена схема поперечного сечения частей длинных (размер больше джозефсоновской длины проникновения магнитного поля λ) джозефсоновских контактов, используемого в качестве ДПЛ, причем S здесь обозначает сверхпроводник, I - изолятор, черные стрелки показывают направление течения тока, индуцированного магнитным полем объекта исследования, красные стрелки - направления распространения флаксонов.
с
J
На фиг. 3 приведено рассчитанное отклонение частоты вращения флаксонов в ДПЛ детектора как отклик на сверхслабое магнитное поле для диапазона тока задания рабочей точки j/j=0.02…0.5; безразмерного параметра демпфирования кольцевых контактов α=0.2; безразмерной индуктивности приемной петли ; длина каждой ДПЛ равна L=10 λ.
c
J
На фиг. 4 представлен размах частотного отклика детектора при изменении приложенного магнитного потока от нуля до половины кванта для диапазона тока питания j/j=0.02…0.5 и диапазона нормированной индуктивности ; безразмерного параметра демпфирования кольцевых контактов а=0.2; длина каждой ДПЛ равна L=7λ.
j
c
На фиг. 5 приведено рассчитанное отклонение частоты вращения флаксонов для диапазона длины кольцевых ДПЛ L/λ=2…10; безразмерного параметра демпфирования кольцевых контактов а=0.2; тока задания рабочей точки j/j=0.2 и безразмерной индуктивности приемной петли .
Позициями на чертежах (фигурах) обозначены: 1 - источники тока для системы задания рабочей точки и генерации флаксонов; 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 - системы детектирования микроволнового излучения, 8 - нижний сверхпроводящий электрод; 9 - слой изолятора; 10 - верхний сверхпроводящий электрод.
Осуществление полезной модели.
Детектор (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит две джозефсоновских передающих линии (2 и 3), образующие два замкнутых пути, по которым вращаются с определенной частотой, определяемой системой задания рабочей точки (1), джозефсоновские вихри (флаксоны), порождающие таким образом микроволновое электромагнитное излучение, для детектирования которого служит устройство системы детектирования микроволнового излучения (7).
Рассеяние каждого из флаксонов на токовом диполе, индуцированном магнитным полем объекта исследований (4), создает измеряемый сдвиг частоты детектируемого излучения. Измеренный сдвиг частоты 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. 2.
Отличием такого детектора от обычного СКВИДа является отсутствие резистивных шунтов для используемых джозефсоновских контактов, и при этом на вольт-амперной характеристике устройства в целом отсутствует нежелательный гистерезис; исследования состояния квантового объекта удобно производить, измеряя частоту микроволнового излучения; есть оптимумы чувствительности детектора как функции тока задания рабочей точки, показанные на фиг. 3.
р
0
0
0
На фиг. 3 показан частотный отклик Δω/ω от попадающего в детектор магнитного потока Ф/Ф, величина которого нормирована на величину кванта; Δω=ω-ω, где ω - частота вращения при нулевом сигнале Ф=0. Значение параметра демпфирования α=0.2 типично для джозефсоновских контактов, изготовленных для баллистических детекторов.
max
0
c
На фиг. 4 продемонстрировано, как с увеличением индуктивности размах отклика падает: размах отклика здесь определен как Δω=ω (при Ф=Ф/2)-ω(при Ф=0). Длина колец для такого расчета была выбрана чуть меньше, чем в предыдущем случае в соответствии с оптимизацией, проведенной относительно этого параметра и представленной на фиг. 5. Видно, что оптимальная длина приблизительно совпадает с размером флаксона. Ток задания рабочей точки выбран в окрестности оптимума j/j=0.2, где форма отклика заметно отлична от обычной для СКВИДа. Видно, что с уменьшением длины кольца форма к ней приближается. Сдвиг фаз колебаний флаксонов в кольцевых ДПЛ будет пропорционален приложенному к детектору потоку и также может использоваться для получения информации о состоянии объекта исследований
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 одноквантовых импульсов можно использовать устройства быстрой одноквантовой логики [Likharev К. К. et al. RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1991, V. 50, N. 1, pp. 3-28], хорошо известные из уровня техники и позволяющие генерировать с нужной надежностью флаксоны. Также современные криогенные детекторы электромагнитного излучения позволяют фиксировать с нужной точностью частоту волны, генерируемой при круговом движении флаксонов по джозефсоновской передающей линии [Terai Н. et al. Low-jitter single flux quantum signal readout from superconducting single photon detector / Optics express, 2012, V. 20, N. 18, pp. 20115-20123].