Диссертация (1104762), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Такая структура получила название одноконтактного сверхпроводящего интерференционного датчика(сквид1 ) [24].Напряжение V (t) на переходе возникнет только при изменении магнитного потока Φ через кольцо, согласно закону электромагнитной индукции: V (t) = dΦ⁄dt.В соответствии с (1.4), можно записать связь фазы джозефсоновскго перехода ивнешнего магнитного потока:Φ(1.15)φ = 2πΦ0Таким образом, фаза перехода оказывается жестко связанной с полным магнитным моментом, проходящим через кольцо. Это явление носит название квантовой макроскопической интерференции.Для случая кольца следует записать совместно с уравнением (1.15) уравнение, учитывающее тот факт, что полный поток Φ складывается в общем случае извнешнего потока Φe и потока самоиндукции −LI, где L – индуктивность кольца,1Сквид – от англ.
SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик»14Рисунок 1.3 – Зависимость между полным (ϕ) и внешним (ϕe ) потоком через кольцо для различных индуктивностей l в случае одноконтактного интерферометра.I – ток через кольцо:Φ = Φe − LI(1.16)Перепишем уравнения (1.15)-(1.16) в безразмерном виде, применяя резистивную модель перехода:i = cφ̈ + φ̇ + sin φ + if =гдеl=φ − φe,l2πLIc2πΦeL=, φe =LcΦ0Φ0(1.17)(1.18)Из (1.17) можно получить уравнение для определения стационарных состояний интерферометра [24]:φ + l sin φ = φe ,(1.19)определяющее связь между внешним и полным потоком через кольцо.
На рисунке 1.3 приведены графики этой зависимости при различных индуктивностях l. Этазависимость приблизительно линейна при l ≪ 1 и начинает отклоняться от линейной при увеличении l. При l > 1 всегда имеются области неоднозначности,в которых одному значению внешнего поля соответствуют несколько стационарных состояний, с различными значениями Φ и I.Рассмотрим два контакта, включенных в сверхпроводящее кольцо – двухконтактный сверхпроводящий квантовый интерферометр (см. рис.
1.2б). В отличие от15одноконтактного интерферометра, будем считать, что двухконтактный интерферометр подключен к источнику постоянного тока IΣ . Для него вместо выражений(1.15)-(1.16) следует записать:φ1 − φ2 = 2πΦ/Φ0 ,(1.20)Φ = Φe − L1 I1 + L2 I2 ,(1.21)где φ1 и φ2 – джозефсоновские фазы переходов интерферометра, L1 , L2 – индуктивности «плеч» интерферометра (части кольца, разделенные точками подключения тока IΣ ), I1 , I2 – ток через плечи: IΣ = I1 + I2 .Рассмотрим стационарные состояния двуконтактного интерферометра (φ̇1 =φ̇2 = 0, V1,2 = 0). Также как и для одноконтактного интерферометра при большойвеличине индуктивности l ≥ 1 таких состояний может быть несколько. При этомизменение параметров может привести систему не только в новое стационарноесостояние, но и к выходу в нестационарный эффект Джозефсона (V ̸= 0).Таким образом, можно ставить задачу о нахождении совокупности критических значений ICΣ , которые все, за исключением наибольшего, соответствуютпереходу из одного стационарного состояния в другое.
Максимальное из сово[ ]купности критических значений Ic = max IΣk соответствует переходу к джозефсоновской генерации.Отметим, что величина IC является 2π-периодичной функцией φe (Φ0 -периодичной функцией Φe ). В случае малых индуктивностей (l ≪ 1) для нее можнонайти [24]:22IC2 = Ic1+ Ic2+ 2Ic1 Ic2 cos φe ,(1.22)где Ic1,2 – критические токи переходов, а в случае больших индуктивностей(l ≫ 1):[]Ic2Ic1Ic = ICΣ − minφ̃e , −(φ̃e − 2π) ,(1.23)l2l1где φ̃e = φe − 2πk − l1 + l2 , ICΣ = Ic1 + Ic2 , k – целое.На рисунке 1.4 изображена зависимость критического тока интерферометра отприложенного магнитного потока для симметричного (IC1 = IC2 ) двухконтактного интерферометра при различных l.Если значение тока IΣ находится выше критического тока сквида IC , то наконтактах возникают напряжения, постоянные которых отличны от нуля и рав-16Рисунок 1.4 – Зависимость критического тока (iC ) симметричного двухконтактного интерферометра от внешнего потока через кольцо (φe ) для различных индуктивностей l изработы [24].ны: V 1 = V 2 .
При этом можно показать [23, 24], что ВАХ такого интерферометра будет соответствовать ВАХ одиночного перехода с критическим током IC (см.рис. 1.5). Причем этот критический ток, согласно (1.22)-(1.23), зависит от внешнего магнитного потока. Таким образом, можно говорить о преобразовании магнитного потока в напряжение: Φe → V . Зависимость V (Φe ) называется откликомнапряжения (сигнальной характеристикой) двухконтактного интерферометра навнешний магнитный поток.В современных магнитометрических системах, как правило, используютсяРисунок 1.5 – ВАХ двухконтактного интерферометра и его отклик на изменение внешнего магнитного потока.17двухконтактные сквиды. Несмотря на предельно высокую чувствительность кмагнитным сигналам, они обладают ограниченной линейностью преобразованиямагнитного сигнала и малым динамическим диапазоном.
Динамический диапазон устройства на основе сквида измеряется отношением (обычно выраженным вдБ) величины максимального входного сигнала к минимальному сигналу, равному среднеквадратичной величине приведенных к входу флуктуаций. Эта величина растет с увеличением частотной полосы устройства ∆F как (∆F )1/2 . Для расширения динамического диапазона и увеличения линейности низкочастотных (до∼ 1 МГц) устройств на основе сквидов используют внешнюю следящую обратную связь первого порядка (см. рис. 1.6) [52,53], функцией которой является компенсация входного сигнала и, следовательно, фиксация рабочей точки на сигнальной характеристике (режим “flux-locked loop”).
Однако в случае широкополосныхустройств использование такой обратной связи не представляется возможным попричинам технологического характера, и сквиды в таких устройствах могут работать только в режиме “openloop” (без обратной связи) [54].1.1.3. Цифровая сверхпроводниковая электроникаРазвитие цифровой сверхпроводниковой электроники, в основе которой лежит использование быстрой одноквантовой логики – Rapid Single Flux Quantum(RSFQ) logic [1–3], позволяет в настоящее время создавать быстродействующиепроцессоры с тактовыми частотами 20−40 ГГц [56]. Лидерами в этой области разработок является ряд международных научных центров, к которым, в частности,относятся International Superconductivity Technology Center (ISTEC), Tsukuba, Nippon Electric Company (NEC), Hypres Inc., Northrop Grumman. Компанией ISTEC(Япония) был разработан сверхпроводниковый 8-битный процессор CORE1BetaΦeSQUIDΦ←I∫ВыходнойсигналI←UРисунок 1.6 – Блок-схема низкочастотного устройства на основе сквида постоянного тока, работающего в режиме flux-locked loop (с замкнутой петлей обратной связи).
Φe – входнойсигнал (магнитный поток). Выходной сигнал – напряжение на выходе интеграторацепи обратной связи.18(микрофотография чипа показана на рис. 1.7а) тактовой частотой до 27,6 ГГц[55,57,58]), компанией Hypres (США) – 8-битный и 16-битный RSFQ процессорыFLUX-1 [59–63]. Носителями логической информации в цифровых устройствахна основе быстрой одноквантовой логики являются одиночные кванты магнитного потока величиной Φ0 = h/2e ≈ 2 × 10−15 Вб, схематическое представлениепринципов функционирования устройств быстрой одноквантовой логики приведено на рис.
1.8. Создаваемые в настоящее время цифровые сверхпроводниковыеинтегральные схемы содержат десятки тысяч джозефсоновских элементом (см.фотографии чипов на рис. 1.7).Развитие сверхпроводниковой цифровой электроники на основе RSFQ логикив сочетании с созданием уникальных джозефсоновских компараторов тока, которые характеризуются высоким быстродействием и предельно высокой чувствительностью [64–67], привело к созданию малошумящих широкополосных аналого-цифровых преобразователей – АЦП (Analog-to-Digital Converters – ADC), способных осуществлять широкополосное (от низких частот до десятков гигагерц)линейное преобразование аналогового сигнала в цифровой в пределах широкого динамического диапазона (до 90 дБ и выше) [4–7]. В свою очередь, появление таких АЦП делает возможным создание широкополосных приемных систем спрямой оцифровкой сигналов, обладающих большим динамическим диапазоном,(а)(б)Рисунок 1.7 – Микрофотографии двух чипов размером 1 см × 1 см с интегральными сверхпроводниковыми схемами (на основе ниобиевой технологии), содержащими около 11000джозефсоновских элементов: (а) процессор CORE1beta (центр ISTEC, Япония) изработы [55] и (б) прототип первого (2006 год) цифрового приемника (компанияHypres, США) с частотой выборки 30 ГГц для Х-диапазона (частота 7,5 ГГц), изработы [4].19(а)(б)Рисунок 1.8 – Схематическое представление принципов функционирования быстрой одноквантовой логики: (а) временная последовательность приходящих логических сигналовв виде одиночных квантов магнитного потока (CLR—тактовый сигнал, IN и OUTсоответственно входной и выходной сигналы), сопровождающихся генерацией навходном джозефсоновском элементе одноквантовых импульсов напряжения V (t);(б) упрощенная обобщенная схема логического элемента, обязательными элементами которого являются запоминающий контур (Storage Loop) и компаратор на основедвух джозефсоновских элементов (Decision-Making Pair).свободным от интермодуляционных искажений сигналов (Spurious Free DynamicRange – SFDR), что открывает новые возможности в развитии технологий приема, обработки и защиты информации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
