JPH0627794B2 - 直流駆動型超伝導量子干渉素子 - Google Patents

直流駆動型超伝導量子干渉素子

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JPH0627794B2
JPH0627794B2 JP61239379A JP23937986A JPH0627794B2 JP H0627794 B2 JPH0627794 B2 JP H0627794B2 JP 61239379 A JP61239379 A JP 61239379A JP 23937986 A JP23937986 A JP 23937986A JP H0627794 B2 JPH0627794 B2 JP H0627794B2
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input
coil
electrode
squid
quantum interference
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訓生 大川
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば高感度の磁気センサ、電流計、変位
計、あるいは高周波信号増幅器などに応用する直流駆動
型超伝導量子干渉素子(DC Superconducting Quantum In
terference Device,以下DC SQUIDと略す。)に関するも
のである。
〔従来の技術〕
第6図は従来のDC SQUIDを示す模式的構造図、第7図,
第8図はそれぞれ第6図中VII−VII線,VIII−VIII線に
沿う断面図であり、アプライド・フイジツクス・レター
ズ第43巻694(1983),あるいは第40巻736(1982)〔Ap
plied Physics Letters,Vol.43,694(1983),あるいはV
ol.40,736(1982)〕に示されたものと基本的に同等のも
のである。
図において、1は基板、2は主コイル、3は対向電極、
4,5は主コイル2と対向電極3との接続部に各1個ず
つ形成したジヨセフソン素子、6はジヨセフソン素子
4,5の面積を決定するための絶縁層、7,8はジヨセ
フソン素子4,5に対しそれぞれ並列に主コイル2と対
向電極3との間に接続した抵抗体である。そして、主コ
イル2と対向電極3は基板1上で1つの超伝導リングを
構成しており、1〜8がDC SQUID本体の基本的構成要素
である。
9は主コイル2を覆う絶縁膜、10は絶縁膜9上に位置
し、主コイル2と電気的に絶縁され、且つ磁気的に結合
した渦巻状の入力コイルである。なお、入力コイル10
が形成する渦巻の中心から外周へ向かつて引き出す1本
の線は、さらにもう1層の絶縁膜(図では省略)により
主コイル2や入力コイル10自身と絶縁されている。
11は入力コイル2と同様に絶縁膜9上に位置する変調
コイルである。また、第6図においては、絶縁層6,絶
縁膜9を省略して図示してある。
ここで、主コイル2、対向電極3、入力コイル10、変
調コイル11には例えばNbやPb等の超伝導金属が、絶縁
層6,絶縁膜9には例えばSiO,SiO2やNb2O5 等の誘電体
が、抵抗体7,8には例えばMo,Au等の常伝導金属が、
基板1には例えばSi,SiO2やサフアイヤ等の材料がそれ
ぞれ用いられる。
なお、図中、入力コイルの巻数は3ターンに省略して示
したが、実際には50ターン程度となり、その線幅は5
μm程度である。また、主コイル2や入力コイル10に
用いる超伝導金属薄膜の膜厚は使用する材料の磁界侵入
長の数倍必要であり、例えばNbを用いた場合には3000Å
程度とする。
12は主コイル2に接続された出力端子、16は対向電
極3に接続された出力端子、13,17は変調コイル1
1の入力端子、14は入力コイル10の一方の入力端子、
15は入力コイル10の他方の入力端子である。
次に動作について説明する。まず、出力端子12,16
間に直流バイアス電流Ibを流しておき、ジヨセフソン素
子4,5の臨界電流値をそれぞれIoとすると、Ibの大き
さはIb2Io付近に設定される。この時、入力端子1
4,15あるいは入力端子13,17から入力コイル1
0や変調コイル11に信号電流が流れると、主コイル2
及び対向電極3から構成される超伝導リングに信号が磁
束として伝達される。入力コイル10や変調コイル11
から伝達される信号磁束の和をφEX、出力端子12,1
6間に生じる出力電圧をVoutとすると、φEXに対するV
outの変化(φ−V特性)は第9図実線のようになり、V
outは磁束量子φo(=2.07×10-15wb)の周期で変動す
る。すなわち、DC SQUIDは入力コイル10や変調コイル
11内の信号電流を出力電圧に変換する役割を果たすこ
とにある。
ここで、出力端子12,16間に電圧が生じる状態で
は、ジヨセフソン素子4,5は周波数J =Vout/φo で発振する交流電流源として動作し、この高周波電流が
超伝導リング内を流れる。一例としてVout=40μVと
すると、高周波電流の周波数は約19GHzとなる。
本来、DC SQUIDのφ−V特性において、Voutの極大と極
小は1/2φoごとに現われ、第9図点線のようになるはず
である。ところが、上記のように、入力コイル10を、
主コイル2及び対向電極3で構成される超伝導リング上
に積層したDC SQUIDでは、超伝導リング内を流れる高周
波電流が、超伝導リングと入力コイル10との間で共振
を起こすため、φ−V特性は第9図実線のように歪み、
極大,極小が周期φoの間に2回現われることになる。
そこで、DC SQUIDの入出力関係はこのように非線形であ
るが、入出力間の線形性を広い入力磁束信号範囲に渡つ
て維持するために、第10図のような駆動回路が用いら
れている。
第10図は最も広く用いられているDC SQUID駆動回路の
一例であり、低温物理ジヤーナル(Journal of Low Tem
perature Physics),Vol,25,99(1976)に示されたものと
基本的に同じである。図中、20はLC共振回路のコイ
ル、21はLC共振回路の容量、22は前置増幅器、2
3は位相検波器(ロツクインアンプ)、24は帰還抵
抗、25は発振器、26はピツクアツプコイルである。
なお、点線内は、第6図に相当する部分である。
この駆動回路では、発振器25から例えばφm=1/2φ
o(-p)にに相当する変調磁束を加え、DC SQUIDの出力電
圧を位相検波し、位相検波器23の出力を帰還抵抗24
を通して再びDC SQUIDにしている。すなわち、DC SQUID
の動作点を第9図に示したφ−V特性の極大又は極小の
位置に固定し、入力コイル10に流れる信号電流に比例
した出力電圧を位相検波器23の出力電圧として得る。
ここで、入力端子14,15にピツクアツプコイル26
を接続すれば磁束計として動作し、信号電流源を接続す
れば電流計として動作する。この駆動回路はDC SQUIDの
動作点をある磁束の位置に固定して動作させるので、フ
ラツクス・ロツク・ループ(Flux Locked Loop)回路と呼
ばれている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来のDC SQUIDは以上のように構成されているので、例
えば第9図の実線中18や19に示す位置に動作点を固
定した場合には、第10図に示した駆動回路のループゲ
インが動作点18,19の右側において左側よりも低く
なり、大信号入力時に動作点が右側にはずれてしまうこ
とになる。すなわち、信号に対する追従速度(slew rat
e)が本来のφ−V特性を有するDC SQUIDに比べて低く
なるという問題点があつた。また、変調磁束φmを1/2φ
o(p-p)より小さくしても、第9図中に点線で示すφ−V
特性を有するDC SQUIDに比べて動作点が移動しやすく、
追従速度が低くなるという問題点もあつた。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、第9図中に点線で示したようなφoを周期と
する歪みの少ないφ−V特性を有し、前記したフラツク
ス・ロツク・ループ回路による駆動の際に高い追従速度
を有するDC SQUIDを得ることを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係るDC SQUIDは、ジヨセフソン素子の発振周
波数に対して充分小さな容量リアクタンスの入力容量
を、入力コイルの2つの入力端子間に接続したものであ
る。
〔作 用〕
この発明における入力容量は、入力コイルのインダクタ
ンスに対して並列に接続されたことになり、超伝導リン
グ内を流れる高周波電流によつて超伝導リングと入力コ
イルとの間で起こる共振を減衰させる。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第1
図において、1〜17は従来装置と全く同一のものであ
る。28は入力コイル10の一方の端子14に接続する
第1の電極、29は第1の電極28上に形成した誘電
体、30は入力コイル10の他方の端子15に接続し、
誘電体29上に重ねた第2の電極である(第2図参
照)。ここで、第1の電極28は例えばNb等超伝導材料
で形成されており、その一部を陽極酸化しNb2O5 とする
ことにより誘電体29が形成されている。同様に、第2
の電極30もNb,Pb 等の超伝導材料で形成されている。
そして、入力容量は第1の電極28と第2の電極30と
の間に形成されているので、端子14,端子15から見
ると、入力コイル10のインダクタンスに対し並列に接
続されていることになる。一例として、誘電体29とし
てNb2O5(比誘電率εr=29)を用い、膜厚を200Å、
面積を0.5mm×0.5mm=2.5×10-7m2とした場合、入力容
量の大きさCiは約3.2μFとなる。この入力容量Ci
は、ジヨセフソン素子の発振周波数Jに対して、充分
小さな容量リアクタンスとなるように、すなわち、 を満足するように設定されている。
次に動作について説明する。上記のように構成されたDC
SQUIDにおいて、出力端子12,16の間に直流バイア
ス電流Ib(2Io)を流す。この時、入力コイル10や
変調コイル11に信号電流が流れると、主コイル2及び
対向電極3により構成される超伝導リングに信号が磁束
として伝達され、信号磁束の大きさに従つて出力端子1
2,16間に出力電圧Voutが現われる。
このようにDC SQUIDの出力電圧12,16間に電圧が生
じている状態では、従来装置と同様にジヨセフソン素子
4,5は高周波の電流源として動作するため、高周波電
流が主コイル2及び対向電極3で構成される超伝導リン
グ内を流れるが、入力コイル10の一方の端子14,他
方の端子15が第1の電極28,誘電体29,第2の電
極30で構成される入力容量で短絡されているため、超
伝導リングと入力コイル10との間の共振が減衰する。
このため、φ−V特性中の歪みが消え、φ−V特性がDC
SQUID本来の理想的な正弦波状のものに近づき、第3図
のようになる。このため、このDC SQUIDを第10図に示
すフラツクス・ロツク・ループ回路で駆動する際に、従
来より大きな追従速度が得られ、大きな入力に対しても
動作点を固定したまま追従することが出来る。
なお、上記実施例では、第1の電極28と第2の電極3
0を新たに設け、入力コイル10の一方の端子14,他
方の端子15に接続したものを示したが、第4図及び第
5図に示すように、一方の端子14上に誘電体31を形
成し、この誘電体31上に他方の端子15を重ねて形成す
ることとしてもよい。
また、上記実施例ではDC SQUIDをフラツクス・ロツク・
ループ回路で駆動する場合について説明したが、高周波
増幅器として使用する際には、変調コイル11を用いて
動作点を第3図中φEX=(2n+1)/4(n:整数)の位置に
固定し、高周波信号電流を入力コイル10に流し、出力
端子12,16間の出力電圧を検出することもできる。
この場合にはφ−V特性の歪みが少なくなり、入出力間
の線形性が維持される範囲が広くなるため、ダイナミツ
クレンジが広くなる効果がある。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、入力コイルに対して
並列に入力容量を接続する構成としたので、入出力特性
(φ−V特性)の歪みが改善され、DC SQUID本来の理想
的な正弦波に近い特性が得られ、フラツクス・ロツク・
ループ回路で駆動する際の系全体の信号追従速度が増大
する効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例による直流駆動型超伝導量
子干渉素子(DC SQUID)を示す模式的構造図、第2図は
第1図のII−II線に沿う断面図、第3図は第1図のDC S
QUIDの磁気応答特性(φ−V特性)を示す特性図、第4
図はこの発明の他の実施例によるDC SQUIDを示す模式的
構造図、第5図は第4図のV−V線に沿う断面図、第6
図は従来のDC SQUIDを示す模式的構造図、第7図及び第
8図はそれぞれ第6図のVII−VII線,VIII−VIII線に沿
う断面図、第9図は第6図のDC SQUIDの磁気応答特性
(φ−V特性)を示す特性図、第10図はDC SQUID駆動回
路(フラツクス・ロツク・ループ回路)のブロック図で
ある。 2は主コイル、3は対向電極、4,5はジヨセフソン素
子、10は入力コイル、14は一方の入力端子、15は
他方の入力端子、12,16は出力端子、28は第1の
電極、29は誘電体、30は第2の電極である。なお、
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】信号電流検出用の2つの入力端子を有する
    入力コイルと、上記入力コイルと磁気的に結合された超
    伝導リングを構成する主コイル及び対向電極と、上記主
    コイル及び対向電極間に接続部に設けられ、上記信号電
    流を電圧出力に変換するジヨセフソン素子とを備えた直
    流駆動型超伝導量子干渉素子において、上記2つの入力
    端子間に、上記ジヨセフソン素子の発振周波数に対して
    充分小さな容量リアクタンスを有する入力容量を接続し
    たことを特徴とする直流駆動型超伝導量子干渉素子。
  2. 【請求項2】上記入力容量の接続は、上記2つの入力端
    子のうちの一方の端子に第1の電極を接続すると共に、
    該第一の電極上に誘電体を形成し、該誘電体上に、上記
    2つの入力端子のうちの他方の端子に接続された第2の
    電極を重ねることにより行なうことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
JP61239379A 1986-10-09 1986-10-09 直流駆動型超伝導量子干渉素子 Expired - Lifetime JPH0627794B2 (ja)

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