DE19840071A1 - Shapiro step SQUID - Google Patents
Shapiro step SQUIDInfo
- Publication number
- DE19840071A1 DE19840071A1 DE1998140071 DE19840071A DE19840071A1 DE 19840071 A1 DE19840071 A1 DE 19840071A1 DE 1998140071 DE1998140071 DE 1998140071 DE 19840071 A DE19840071 A DE 19840071A DE 19840071 A1 DE19840071 A1 DE 19840071A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- squid
- shapiro
- stage
- squids
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
- G01R33/0354—SQUIDS
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Shapiro-Stufen-SQUID zur Messung ei nes Magnetfelds oder eines magnetischen Flusses.The invention relates to a Shapiro step SQUID for measuring egg magnetic field or a magnetic flux.
Als Stand der Technik sind Supraleitende Quanten Interferenz De tektoren (SQUIDs) bekannt, deren Wirkungsweise auf der Nichtli nearität von Josephson-Kontakten (JK) beruht. Es handelt sich dabei um extrem empfindliche Detektoren für Magnetfelder oder für magnetischen Fluß. Aufgrund ihrer gegenüber anderen Sensoren überlegenen Empfindlichkeit bei der Messung von Magnetfeldern bzw. magnetischem Fluß bei niedrigen Frequenzen (bis zu einigen kHz) kommen SQUIDs in vielen Anwendungen zum Einsatz. Die der zeit vielversprechendsten Anwendungen liegen in den Bereichen Biomagnetismus (Messung der Gehirn- und Herz-Aktivität), zerstö rungsfreie Materialprüfung (z. B. Detektion von Korrosion oder Rissen in Flugzeug-Rümpfen oder von magnetischen Einschlüssen in Turbinen-Rädern), und Geologie (z. B. Suche nach Mineralien).As the prior art, superconducting quantum interference is De tectors (SQUIDs) known, their mode of action on the non-li proximity of Josephson contacts (JK) is based. It is about extremely sensitive detectors for magnetic fields or for magnetic flux. Because of their compared to other sensors superior sensitivity when measuring magnetic fields or magnetic flux at low frequencies (up to a few kHz), SQUIDs are used in many applications. The the The most promising applications are in the areas Biomagnetism (measurement of brain and heart activity), destroy maintenance-free material testing (e.g. detection of corrosion or Cracks in aircraft fuselages or magnetic inclusions in Turbine wheels), and geology (e.g. search for minerals).
Die wissenschaftliche Arbeit vieler Forschergruppen zielte auf die Verbesserung der SQUID-Empfindlichkeit ab und führte zu der Entwicklung verschiedener Typen von SQUIDs. Zu den bekanntesten Typen gehören rf-SQUIDs, dc-SQUIDs (mit zwei Josephson- Kontakten), Doppel-(D)-rf-SQUIDs und Relaxations-Oszillations- SQUIDs. Nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) im Jahr 1986 wurden zudem empfindliche HTS SQUIDs entwik kelt. Die Vorteile von HTS-SQUIDs gegenüber Tieftemperatur- SQUIDs durch den Einsatz bei erheblich höheren Betriebstempera turen eröffneten neue Perspektiven für den Einsatz von SQUIDs in praktischen Anwendungen. The scientific work of many research groups targeted the improvement in SQUID sensitivity and led to the Development of different types of SQUIDs. The most famous Types include rf-SQUIDs, dc-SQUIDs (with two Josephson- Contacts), double (D) rf SQUIDs and relaxation oscillation SQUIDs. After the discovery of high temperature superconductivity (HTS) in 1986 sensitive HTS SQUIDs were also developed celt. The advantages of HTS-SQUIDs over low-temperature SQUIDs due to the use at considerably higher operating temperatures opened new perspectives for the use of SQUIDs in practical applications.
Die bekannten HTSL dc-SQUIDs mit zwei Josephson-Kontakten zeigen eine begrenzte Empfindlichkeit bei der Temperatur T = 77K, im Bereich um zum Beispiel drei bis vier Größenordnungen von der Quantengrenze entfernt.The well-known HTSL dc-SQUIDs with two Josephson contacts show a limited sensitivity at the temperature T = 77K, im Range around, for example, three to four orders of magnitude from the Quantum boundary removed.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen dc-SQUID mit zwei Jo sephson-Kontakten mit erhöhter Empfindlichkeit bereitzustellen.It is therefore an object of the invention a dc-SQUID with two Jo provide sephson contacts with increased sensitivity.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein dc-SQUID mit zwei Josephson- Kontakten gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf den Patentanspruch 1 mittelbar oder unmittelbar rückbezogenen Unteransprüchen.The task is solved by a dc-SQUID with two Josephson Contacts according to the entirety of the features according to claim 1. Find further expedient or advantageous embodiments itself in the on claim 1 indirectly or directly related subclaims.
Der erfindungsgemäße dc-SQUID mit zwei Josephson-Kontakten weist Mittel zum Anlegen eines Mikrowellenstroms zum Betrieb im Be reich innerhalb einer einzigen Shapiro-Stufe auf. Zwar sind Sha piro-Stufen als solche bekannt. Es wurde jedoch überraschend ge funden, solche Shapiro-Stufen vorteilhaft zum Betrieb eines dc- SQUIDs einzusetzen. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit des dc-SQUID stark heraufgesetzt. Beispielsweise kann auf diese Wei se bei Fluß- oder Feldmessungen die Empfindlichkeit um einen Faktor 10 bis 100 gesteigert werden. Während die bekannten HTSL SQUIDs bei 77K noch um etwa drei Größenordnungen von der Quan tengrenze entfernt sind, werden, kann man mit dem erfindungsge mäßen dc-SQUID bei der selben Temperatur beispielsweise bis auf eine oder zwei Größenordnungen an diese Grenze herankommen.The dc-SQUID according to the invention with two Josephson contacts has Means for applying a microwave current for operation in the Be get up within a single Shapiro level. They are Sha piro levels known as such. However, it was surprisingly ge found such Shapiro stages advantageous for operating a DC Use SQUIDs. In this way, the sensitivity of the dc-SQUID significantly increased. For example, in this Wei se for sensitivity in flow or field measurements Factor 10 to 100 can be increased. While the well-known HTSL SQUIDs at 77K still about three orders of magnitude from the quan are removed, you can with the fiction dc-SQUID at the same temperature, for example up to get one or two orders of magnitude to this limit.
Gemäß Patentanspruch 2 kann eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen dc-SQUIDs Mittel zum Anlegen eines Mikrowellenstroms zum Betrieb im Bereich innerhalb der ersten Shapiro-Stufe aufweisen, die besonders ausgeprägt bildbar ist und damit die Empfindlich keit des SQUIDs besonders begünstigt. According to claim 2, an embodiment of the Invention according to dc-SQUIDs means for applying a microwave current for Operating within the first Shapiro stage, which is particularly pronounced and therefore sensitive particularly favored by the SQUID.
Gemäß Patentanspruch 3 weist der dc-SQUID vorteilhaft eine Am plitude des Mikrowellenstroms oder eine Mikrowellenleistung auf, bei der die gewählte Shapiro-Stufe maximal ausgebildet ist.According to claim 3, the dc-SQUID advantageously has an Am plitude of the microwave current or a microwave power, at which the selected Shapiro level is maximal.
Gemäß Patentanspruch 4 wird zur Optimierung des Betriebsmodus ein dc-SQUID mit einer Mikrowellenfrequenz ν im Bereich von 2 bis 5 νc vorgeschlagen.According to claim 4, a dc-SQUID with a microwave frequency ν in the range from 2 to 5 ν c is proposed to optimize the operating mode.
Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:The invention is further based on figures and Ausfüh tion examples explained in more detail. It shows:
Fig. 1: I-V-Kennlinien eines auf der ersten Shapiro-Stufe be triebenen erfindungsgemäßen SQUIDs für drei verschiedene Flußstärken: nΦο, 1/2(2n+1) Φο und 1/4 (2n+1) Φο Fig. 1: I-V characteristics of a Shapiro be on the first-stage exaggerated SQUIDs according to the invention for three different Flußstärken: nΦ ο, 1/2 (2n + 1) and ο Φ 1/4 (2n + 1) Φ ο
Fig. 2: Vergleich der Transferfunktion für einen erfindungsgemä ßen Typ von Shapiro-Stufen-SQUID und einen gewöhnlichen dc-SQUID als Funktion der normierten SQUID-Induktivität; Fig. 2: Comparison of the transfer function for a SEN according to the invention Type of Shapiro-stage SQUID and a common dc SQUID as a function of the normalized SQUID inductance;
Fig. 3: Vergleich der Energieauflösung für einen erfindungsgemä ßen Typ von Shapiro-Stufen-SQUID und einen gewöhnlichen dc-SQUID als Funktion der normierten SQUID-Induktivität; Fig. 3: Comparison of the energy resolution according to the invention for a SEN type Shapiro-stage SQUID and a common dc SQUID as a function of the normalized SQUID inductance;
In der Fig. 1 sind die I-V-Kennlinien eines auf der ersten Sha piro-Stufe betriebenen erfindungsgemäßen SQUIDs für drei ver schiedene Flußstärken: nΦο, 1/2 (2n+1) Φο und 1/4 (2n+1) Φοdargestellt. Dabei ist der Strom I auf 2(ν/νc)Ic und die Spannung auf νΦο nor miert. In Fig. 1, the IV characteristics are one operated on the first Sha piro-stage SQUIDs according to the invention for three ver different Flußstärken: ο nΦ, 1/2 (2n + 1) ο Φ and 1/4 (2n + 1) Φ ο shown. The current I is standardized to 2 (ν / ν c ) I c and the voltage to νΦ ο .
In der Fig. 2 ist der Vergleich der Transferfunktion für einen erfindungsgemäßen Typ von Shapiro-Stufen-SQUID und einen gewöhn lichen dc-SQUID als Funktion der normierten SQUID-Induktivität gezeigt. Dabei ist die Transferfunktion normiert auf πIcR/Φ0.In FIG. 2, the comparison of the transfer function for an inventive type of Shapiro-stage SQUID and a Get used union dc SQUID as a function of the normalized SQUID inductance is shown. The transfer function is normalized to πI c R / Φ 0 .
In der Fig. 3 ist der Vergleich der Energieauflösung für einen erfindungsgemäßen Typ von Shapiro-Stufen-SQUID und einen gewöhn lichen dc-SQUID als Funktion der normierten SQUID-Induktivität gezeigt. Diese Daten sind für die Temperatur T = 77K darge stellt.In Fig. 3 the comparison of the energy resolution of an inventive type of Shapiro-stage SQUID and a Get used union dc SQUID as a function of the normalized SQUID inductance is shown. These data are shown for the temperature T = 77K.
Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, ein gegenüber bekann ten SQUID empfindlicheres Bauelement für die Messung von klein sten Magnetfeldern oder magnetischem Fluß bereit zu stellen. Im folgenden wird dieses erfindungsgemäße SQUID auch als "Shapiro- Stufen-SQUID" oder "Shapiro-SQUID" bezeichnet.It was recognized in the context of the invention, a known ten SQUID more sensitive component for the measurement of small to provide the most magnetic fields or magnetic flux. in the This SQUID according to the invention is also called "shapiro Stage SQUID "or" Shapiro SQUID ".
Ebenso wie bei sämtlichen bekannten SQUID-Typen beruht das Funk tionsprinzip des Shapiro-Stufen-SQUIDs auf der Nichtlinearität der Josephson-Kontakte. Jedoch wurde erkannt, das Auftreten ei ner solchen Shapiro-Stufe zum Betrieb des SQUIDs zu nutzen. Da bei soll mit geeigneten Mitteln, der Betrieb eines solchen Sha piro-Stufen-SQUID im Bereich nur einer einzigen Shapiro-Stufe erfolgen. Sehr vorteilhaft ist dabei die Wahl der ersten Shapi ro-Stufe zum Betrieb des erfindungsgemäßen SQUIDs.As with all known SQUID types, the radio is based Principle of the Shapiro level SQUID on the non-linearity of the Josephson contacts. However, the occurrence was recognized to use such a Shapiro level to operate the SQUID. There at should with appropriate means, the operation of such a Sha piro level SQUID in the area of only one Shapiro level respectively. The choice of the first Shapi is very advantageous ro stage for operating the SQUID according to the invention.
Es ist bekannt, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie eines mit ei nem Gleichstrom I betriebenen Josephson-Kontaktes bei Anlegen eines Mikrowellen-Stroms Imw Stufen konstanter Spannung, soge nannte Shapiro-Stufen, aufweist. Das gilt auch für zwei parallel geschaltete identische Kontakte, also auch für den dc-SQUID. Die beiden Josephson-Kontakte können in vorteilhafter Weise identisch ausgebildet sein und symmetrisch im SQUID-Ring mit ei ner Induktivität L angeordnet sein. It is known that the current-voltage characteristic of a Josephson contact operated with a direct current I when a microwave current I is applied has mw stages of constant voltage, so-called Shapiro stages. This also applies to two identical contacts connected in parallel, including the dc-SQUID. The two Josephson contacts can advantageously be identical and arranged symmetrically in the SQUID ring with an inductor L.
Diese Shapiro-Stufen beruhen auf dem ac-Josephson-Effekt und treten bei Spannungen V auf, die durch Vn = nνΦ0 gegeben sind. Hierbei ist n eine ganze Zahl und indiziert die Stufen-Nummer, ν ist die Frequenz der eingestrahlten Mikrowelle und Φ0 ist das Flußquant. Die Form, insbesondere die Schärfe der Shapiro-Stufen wird durch den zu messenden, niederfrequenten, angelegten Fluß Φx, und durch die Mikrowellenleistung moduliert.These Shapiro steps are based on the ac Josephson effect and occur at voltages V that are given by V n = nνΦ 0 . Here n is an integer and indicates the stage number, ν is the frequency of the irradiated microwave and Φ 0 is the flux quantum. The shape, in particular the sharpness, of the Shapiro stages is modulated by the low-frequency, applied flux Φ x to be measured and by the microwave power.
Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, beim erfindungsgemäßen Shapiro-Stufen SQUID, das SQUID mit einem Gleichstrom (dc Strom) I auf der ersten (n = 1) Shapiro-Stufe (Bias Level in der Fig. 1) zu betreiben. Es ist aber auch vorstellbar, den erfindungsgemä ßen SQUID auf einer der nächsten Shapiro-Stufen zu betreiben. Die Mikrowellen-Frequenz ν sollte oberhalb der sogenannten cha rakteristischen Frequenz der Josephson-Kontakte liegen, typi scherweise in der Größenordnung einiger Gigahertz (GHz)bis über 100 GHz, beispielsweise im Bereich von 1 bis 150 GHz, wenn auch andere Werte ebenfalls vorstellbar sind. Die Mikrowellen- Leistung oder die Amplitude des Mikrowellen-Stroms Imw sollte so gewählt sein, daß die jeweilige zum Betrieb vorgesehene Shapiro- Stufe, vorzugsweise die erste (n = 1) Shapiro-Stufe, maximal wird. Da die Struktur der Shapiro-Stufe empfindlich von einer Variati on des zu messenden, niederfrequenten, angelegten Flusses ab hängt, ist es möglich, verschiedene Transferfunktionen für die sen SQUID-Typ zu definieren. Dabei beeinflußt thermisches Rau schen, das in den Josephson-Kontakten erzeugt wird, ebenfalls die Struktur der Shapiro-Stufen. Im folgenden wird der Einfluß von thermischem Rauschen auf den Betrieb eines Shapiro-Stufen- SQUIDs näher erläutert.It was recognized within the scope of the invention to operate the SQUID in the Shapiro stage SQUID according to the invention with a direct current (dc current) I on the first (n = 1) Shapiro stage (bias level in FIG. 1). However, it is also conceivable to operate the SQUID according to the invention on one of the next Shapiro stages. The microwave frequency ν should be above the so-called characteristic frequency of the Josephson contacts, typically in the order of a few gigahertz (GHz) to over 100 GHz, for example in the range from 1 to 150 GHz, although other values are also conceivable. The microwave power or the amplitude of the microwave current I mw should be selected so that the respective Shapiro stage intended for operation, preferably the first (n = 1) Shapiro stage, becomes maximum. Since the structure of the Shapiro stage depends on a variation of the low-frequency, applied flow to be measured, it is possible to define different transfer functions for this SQUID type. Thermal noise generated in the Josephson contacts also influences the structure of the Shapiro steps. The influence of thermal noise on the operation of a Shapiro stage SQUID is explained in more detail below.
Es ist gut bekannt, daß thermisches Rauschen einen entscheiden den Einfluß auf den Wert der Spannungs-Transferfunktion eines SQUIDs hat. Je größer der Wert für L/LF, desto stärker nimmt die Transferfunktion ab. Hierbei ist L die SQUID-Induktivität, LF = (Φ0/2π)2/kBT ist die sogenannte thermische Grenzinduktivi tät, kB ist die Boltzmann-Konstante und T ist die absolute Tempe ratur. Bei T = 77 Kelvin gilt LF = 100pH. Allerdings ermöglicht eine höhere SQUID-Induktivität eine bessere Fluß-Einkopplung in das SQUID, was für die Messung von Magnetfeldern entscheidend ist.It is well known that thermal noise has a decisive influence on the value of the voltage transfer function of a SQUID. The larger the value for L / L F , the more the transfer function decreases. Here L is the SQUID inductance, L F = (Φ 0 / 2π) 2 / k B T is the so-called thermal limit inductance, k B is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature. At T = 77 Kelvin, L F = 100pH. However, a higher SQUID inductance enables better flux coupling into the SQUID, which is crucial for the measurement of magnetic fields.
Aus diesen Gründen ist eine Optimierung bezüglich L erforder lich. Für ein gewöhnliches dc-SQUID wurde dieses Problem aus führlich analysiert, und es wurde gefunden, daß für den geeig neten Betrieb eines optimalen Systems die dc-SQUID-Induktivität vorzugsweise nicht über einen Wert von 1 LF bis 1,5 LF liegen sollte.For these reasons, an optimization with respect to L is required. For an ordinary dc-SQUID, this problem has been analyzed in detail, and it has been found that, for the operation of an optimal system, the dc-SQUID inductance should preferably not be above 1 L F to 1.5 L F .
Im folgenden ist im Rahmen der Erfindung dieses Problem für ein erfindungsgemäßes Shapiro-Stufen-SQUID erläutert.In the following this problem is within the scope of the invention Shapiro step SQUID according to the invention explained.
Der Analyse wurde eine rigorose und leistungsstarke Methode, der sogenannte Fokker-Plank-Ansatz, zugrunde gelegt. Dieser Ansatz ist angemessen, wenn thermische Fluktuationen wichtig sind. Auf dieser Grundlage wurde die zeitlich gemittelte Spannung V unter Berücksichtigung des Einflusses von thermischen Fluktuationen berechnet. Durch Bildung der Ableitung ∂V/∂Φx der Spannung V nach dem zu messenden, angelegten Fluß Φx erhält man die Spannungs- Transferfunktion. Der Vergleich mit einem optimalen bekannten dc-SQUID, dessen Werte als gestrichelte Linie in der Fig. 2 dargestellt wurden, zeigt, daß ein optimales Shapiro-Stufen SQUID (durchgezogene Linie in der Fig. 2) eine bessere Span nungs-Transfer-funktion (im Durchschnitt etwa zehn mal höher) hat. Dies gilt für Induktivitäten in einem Wertebereich von praktischem Interesse, also 0,5LF <L< 3LF, bzw. 50 pH < L < 300 pH. The analysis was based on a rigorous and powerful method, the so-called Fokker-Plank approach. This approach is appropriate when thermal fluctuations are important. On this basis, the time-averaged voltage V was calculated taking into account the influence of thermal fluctuations. The voltage transfer function is obtained by forming the derivative ∂V / ∂Φ x of the voltage V after the applied flux Φ x to be measured. The comparison with an optimal known dc-SQUID, the values of which are shown as a broken line in FIG. 2, shows that an optimal Shapiro step SQUID (solid line in FIG. 2) has a better voltage transfer function ( on average about ten times higher). This applies to inductors in a range of values of practical interest, i.e. 0.5L F <L <3L F , or 50 pH <L <300 pH.
Es ist gut bekannt, daß die Energieauflösung ε die wesentliche
Kenngröße (figure of merit) eines SQUIDs darstellt. Wird nur
thermisches Rauschen berücksichtigt, dann ist ε für einen gewöhn
lichen dc-SQUID näherungsweise wie folgt gegeben:
It is well known that the energy resolution ε represents the essential figure of merit of a SQUID. If only thermal noise is taken into account, then ε for an ordinary dc-SQUID is approximately as follows:
Hierbei ist R der Normalwiderstand der beiden identischen Jo sephson-Kontakte, Rdyn der dynamische Widerstand des SQUIDs und die Größe in Klammern: (VΦ) voltage = ∂V/∂Φx, ist die Spannungs- Transferfunktion des dc-SQUIDs. Die Berechnungen ergeben in gu ter Näherung Rdyn = R/2.R is the normal resistance of the two identical Jo sephson contacts, R dyn is the dynamic resistance of the SQUID and the size in parentheses: (V Φ ) voltage = ∂V / ∂Φ x , is the voltage transfer function of the dc-SQUID. The calculations give a good approximation of R dyn = R / 2.
Darüber hinaus wurde gefunden, daß in dem Frequenzbereich in dem niederfrequentes 1/f-Rauschen nicht dominiert, wie beim bekann ten dc-SQUID, auch für ein Shapiro-SQUID die wichtigste Quelle für Rauschen durch thermisches Rauschen gegeben ist. Deshalb konnte die Gleichung (1) in guter Näherung auf beide Typen von 2-JK SQUIDs angewandt werden. Durch Einsetzen der berechneten Werte für die Spannungs-Transferfunktion der zwei 2-JK SQUID- Typen aus der Fig. 2 in der Gleichung (1) erhält man die Ener gieauflösung als eine Funktion der normierten SQUID- Induktivität.In addition, it was found that in the frequency range in the low-frequency 1 / f noise does not dominate, as in the known dc-SQUID, the most important source for noise from thermal noise is also given for a Shapiro-SQUID. Therefore, equation (1) could be applied to both types of 2-JK SQUIDs in a good approximation. By inserting the calculated values for the voltage transfer function of the two 2-JK SQUID types from FIG. 2 in equation (1), the energy resolution is obtained as a function of the standardized SQUID inductance.
Aus der Fig. 3 ist in diesem Zusammenhang ersichtlich, daß die Energieauflösung eines optimalen Shapiro-Stufen SQUIDs (durchge zogene Linie in der Fig. 3) für alle in der Praxis relevanten Induktivitäten, die Energieauflösung eines optimalen dc-SQUIDs (gestrichelte Linie in der Fig. 3) übertrifft, wenn die Tempe ratur 77K ist. Zwei relevante Beispiele sind aus der Figur im Ergebnis ohne weiteres ersichtlich. Bei L = LF = 100 pH ist die Energieauflösung eines Shapiro-Stufen-SQUIDs etwa fünf mal bes ser. Bei L = 2LF = 200 pH ist der Wert sogar zehn mal besser als die eines dc-QUIDs, bei gleichen Werten für die Parameter R, L, and Ic (Ic ist der kritische Strom der beiden identischen Josephson- Kontakte).In this context, it can be seen from FIG. 3 that the energy resolution of an optimal Shapiro stage SQUID (solid line in FIG. 3) for all inductances relevant in practice, the energy resolution of an optimal dc-SQUID (broken line in the Fig. 3) exceeds when the temperature is 77K. The result clearly shows two relevant examples from the figure. At L = L F = 100 pH, the energy resolution of a Shapiro step SQUID is about five times better. With L = 2L F = 200 pH the value is even ten times better than that of a dc-QUID, with the same values for the parameters R, L, and I c (I c is the critical current of the two identical Josephson contacts).
Ein besonderer Satz optimaler Parameter-Werte für ein erfin dungsgemäßes Shapiro-Stufen-SQUID ist im folgenden gegeben.A special set of optimal parameter values for an inventor Shapiro step SQUID according to the invention is given below.
Die Parameter für ein bei T = 77 Kelvin betriebenes, erfindungsge
mäßes Shapiro-Stufen SQUID sind:
The parameters for a Shapiro step SQUID operated at T = 77 Kelvin are:
- - Mikrowellen-Frequenz ν = (2-5)νc, wobei die charakteristische Frequenz der beiden identischen Josephson-Kontakte durch 2πνc = ωc = 2πIcR/Φ0 gegeben ist;- Microwave frequency ν = (2-5) ν c , the characteristic frequency of the two identical Josephson contacts being given by 2πν c = ω c = 2πI c R / Φ 0 ;
- - SQUID-Induktivität L = (0,5-3) LF = (50-300)pH;- SQUID inductance L = (0.5-3) L F = (50-300) pH;
- - Rauschparameter Γ = 0,2, wobei Γ = 2πkBT/IcΦ0; daraus folgt ein Wert für den kritischen Strom Ic = 15 µA;- noise parameter Γ = 0.2, where Γ = 2πk B T / I c Φ 0 ; this results in a value for the critical current I c = 15 µA;
Es gibt keine Begrenzung für den Wert des Normalwiderstands R der Josephson-Kontakte; daher sollte R typische Werte besitzen, d. h. etwa mehrere Ohm oder ein Mehrfaches von 0,1 Ohm.There is no limit to the value of the normal resistance R the Josephson contacts; therefore R should have typical values d. H. about several ohms or a multiple of 0.1 ohms.
L = LF = 100 pH, R = 1Ω, and Ic = 15 µA; in diesem Fall ergeben sich die Werte Γ = 0,2 und νc = 10 GHz; dabei liegt die Mikrowellen-Frequenz im Bereich ν = (20-50) GHz.L = L F = 100 pH, R = 1Ω, and I c = 15 µA; in this case the values are Γ = 0.2 and ν c = 10 GHz; the microwave frequency is in the range ν = (20-50) GHz.
Mit L = 100 pH und mit einen typischen Wert für den Normalwider stand R = 5Ω, weist das erfindungsgemäße HTS-Shapiro-Stufen-SQUID bei 77K eine berechnete Energieauflösung von 2 × 10-32 J/Hz auf, und mit L = 200pH, ε = 6 × 10-32 J/Hz. Zum Vergleich ergibt sich für ein bei 77K betriebenes HTS-dc-SQUID mit denselben Parametern für die beiden identischen Josephson-Kontakte, R und Ic, eine berechnete Energieauflösung von nur 1 × 10-31 J/Hz mit L = 100 pH, und ε = 6 × 10-31 J/Hz mit L = 200pH. With L = 100 pH and a typical value for the normal resistance R = 5Ω, the HTS-Shapiro step SQUID according to the invention has a calculated energy resolution of 2 × 10 -32 J / Hz at 77K, and with L = 200pH, ε = 6 × 10 -32 J / Hz. For comparison, a HTS-dc-SQUID operated at 77K with the same parameters for the two identical Josephson contacts, R and I c , results in a calculated energy resolution of only 1 × 10 -31 J / Hz with L = 100 pH, and ε = 6 × 10 -31 J / Hz with L = 200pH.
Im folgenden werden zwei mögliche Betriebsmoden für ein erfin dungsgemäßes Shapiro-Stufen SQUID erläutert.The following are two possible modes of operation for one invented Shapiro stages SQUID explained in accordance with.
In diesem ersten Betriebsmodus ist das gemessene Ausgangssignal des Shapiro-Stufen SQUIDs die dc-Ausgangsspannung. Die dc- Ausgangsspannung wird durch das zu messende Eingangssignal, den angelegten Fluß, verändert. In diesem Fall ist die Auslese- Elektronik für das Ausgangssignal identisch mit derjenigen, welche für ein dc-SQUID verwendet wird.The measured output signal is in this first operating mode of the Shapiro stage SQUIDs the dc output voltage. The dc Output voltage is determined by the input signal to be measured, the river, changed. In this case the readout Electronics for the output signal identical to that which is used for a dc-SQUID.
In diesem Betriebsmodus kann man die Spannungs-Transfer-funktion für ein Shapiro-Stufen SQUID in der üblichen Weise definieren: (VΦ)voltage = ∂V/∂Φx. Die wesentliche Besonderheit für diesen Fall liegt in der Tatsache, daß eine leichte Veränderung des Gleich stroms I in der Nähe einer Shapiro-Stufe (siehe Fig. 1) zu ei nem Vorzeichenwechsel in der Spannungs-Transferfunktion führt, wobei die Transferfunktion nur moderate Maxima als Funktion des Gleichstroms I durchläuft.In this operating mode, the voltage transfer function for a Shapiro stage SQUID can be defined in the usual way: (VΦ) voltage = ∂V / ∂Φ x . The essential peculiarity for this case lies in the fact that a slight change in the direct current I in the vicinity of a Shapiro stage (see FIG. 1) leads to a sign change in the voltage transfer function, the transfer function being only moderate maxima Function of the direct current I passes.
In diesem zweiten Betriebsmodus wird dem Mikrowellenstrom Imw und dem dc-Strom I ein niederfrequenter Strom Iac (mit Frequenzen von einigen 100 Hz bis einigen 10 kHz - abhängig von der SQUID- Anwendung) mit kleiner Amplitude überlagert. Daraus ergibt sich in diesem Betriebsmodus eine Wechselspannung Vac als Ausgangs signal. Die Amplitude von Vac wird durch den zu messenden, ange legten Fluß moduliert. Eine standardmäßige Lock-In Technik ist erforderlich um Änderungen in der Amplitude von Vac zu detektie ren. In this second operating mode, a low-frequency current I ac (with frequencies from a few 100 Hz to a few 10 kHz - depending on the SQUID application) is superimposed on the microwave current I mw and the dc current I with a small amplitude. This results in an AC voltage V ac as an output signal in this operating mode. The amplitude of V ac is modulated by the flow to be measured. A standard lock-in technique is required to detect changes in the amplitude of V ac .
Zwei Bedingungen sollten für diesen zweiten Betriebsmodus er füllt sein.There should be two conditions for this second mode of operation be filled.
Zunächst sollte die Frequenz Vtluß des gemessenen magnetischen Flusses Φx wesentlich niedriger (etwa um einen Faktor zehn oder mehr) als die Frequenz νac des angelegten Wechselstroms Iac sein. Beispielsweise kann zur Messung eines magnetischen Flusses bei einer Frequenz νac = 100 Hz der Wechselstrom Iac eine Frequenz von mindestens ca. 1 kHz aufweisen. Die Bezeichnung "niederfre quent", sollte also dahingehend interpretiert werden, daß diese Bedingung erfüllt ist.First of all, the frequency Vtluß of the measured magnetic flux Φ x should be significantly lower (approximately by a factor of ten or more) than the frequency ν ac of the applied alternating current I ac . For example, for measuring a magnetic flux at a frequency ν ac = 100 Hz, the alternating current I ac can have a frequency of at least approximately 1 kHz. The designation "niederfre quent" should therefore be interpreted to mean that this condition is fulfilled.
Desweiteren soll die Amplitude des niederfrequenten Wechsel stroms Iac nicht größer als der kritische Strom Ic sein. Mit ei nem typischen Wert für den kritischen Strom von Ic = 15 µA sollte also die Amplitude von Iac kleiner oder gleich 15 µA betragen.Furthermore, the amplitude of the low-frequency alternating current I ac should not be greater than the critical current I c . With a typical value for the critical current of I c = 15 µA, the amplitude of I ac should therefore be less than or equal to 15 µA.
In diesem Betriebsmodus definiert man die dynamische Leitfähig
keit - (Gdyn = 1/Rdyn) - Transferfunktion eines erfindungsgemäßen Shapi
ro-Stufen-SQUIDs mit Hilfe des folgenden Ausdrucks:
In this operating mode, the dynamic conductivity is defined - (G dyn = 1 / R dyn ) - transfer function of a Shapi ro level SQUID according to the invention using the following expression:
(VΦ) conductance = ∂Gdyn /∂Φx = ∂(∂Iac/∂Vac)/∂Φx = ∂(1/Rdyn)/∂Φx.(VΦ) conductance = ∂G dyn / ∂Φ x = ∂ (∂I ac / ∂V ac ) / ∂Φ x = ∂ (1 / R dyn ) / ∂Φ x .
Die wesentliche Besonderheit für diesen Fall liegt in der Tatsa che, daß eine leichte Veränderung des dc-Stroms I in der Nähe einer Shapiro-Stufe (siehe Fig. 1) zu einem scharfen Maximum in der dynamischen Leitfähigkeits-Transferfunktion führt.The essential peculiarity for this case lies in the fact that a slight change in the dc current I in the vicinity of a Shapiro stage (see FIG. 1) leads to a sharp maximum in the dynamic conductivity transfer function.
Die Berechnungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, daß es vorteilhafter ist diese Transferfunktion zu nutzen als die Span nungs-Transferfunktion eines erfindungsgemäßen Shapiro-Stufen- SQUIDs. Der Grund hierfür ist von sehr allgemeiner Natur und wurde bis heute in vielen anderen, gut bekannten Bereichen ge nutzt, in denen empfindliche Messungen erforderlich waren. In der Tat ist es vorteilhafter, ein scharfes Maximum der Transfer funktion (hier die dynamische Leitfähigkeits-Transferfunktion) eines Sensors (hier das Shapiro-Stufen SQUID) zu detektieren, als deren monotone Änderung oder ein nur moderates Maximum.The calculations in the context of the invention have shown that it this transfer function is more advantageous to use than the span tion transfer function of a Shapiro step SQUIDs. The reason for this is of a very general nature and has been used in many other well-known areas to date where sensitive measurements were required. In in fact it is more advantageous to have a sharp maximum of transfer function (here the dynamic conductivity transfer function) a sensor (here the Shapiro step SQUID), as their monotonous change or just a moderate maximum.
Claims (4)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998140071 DE19840071A1 (en) | 1998-09-03 | 1998-09-03 | Shapiro step SQUID |
| PCT/DE1999/002720 WO2000014559A2 (en) | 1998-09-03 | 1999-09-01 | Shapiro steps squid |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998140071 DE19840071A1 (en) | 1998-09-03 | 1998-09-03 | Shapiro step SQUID |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19840071A1 true DE19840071A1 (en) | 2000-03-23 |
Family
ID=7879619
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1998140071 Withdrawn DE19840071A1 (en) | 1998-09-03 | 1998-09-03 | Shapiro step SQUID |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19840071A1 (en) |
| WO (1) | WO2000014559A2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4923850A (en) * | 1987-10-20 | 1990-05-08 | Thomson-Csf | Superconducting DC SQUID magnetometer working in liquid nitrogen |
| US4985117A (en) * | 1989-02-04 | 1991-01-15 | Kabushiki Kaisha Riken | Method of manufacturing josephson junctions |
| US5696392A (en) * | 1992-09-14 | 1997-12-09 | Conductus, Inc. | Barrier layers for oxide superconductor devices and circuits |
-
1998
- 1998-09-03 DE DE1998140071 patent/DE19840071A1/en not_active Withdrawn
-
1999
- 1999-09-01 WO PCT/DE1999/002720 patent/WO2000014559A2/en active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4923850A (en) * | 1987-10-20 | 1990-05-08 | Thomson-Csf | Superconducting DC SQUID magnetometer working in liquid nitrogen |
| US4985117A (en) * | 1989-02-04 | 1991-01-15 | Kabushiki Kaisha Riken | Method of manufacturing josephson junctions |
| US5696392A (en) * | 1992-09-14 | 1997-12-09 | Conductus, Inc. | Barrier layers for oxide superconductor devices and circuits |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2000014559A2 (en) | 2000-03-16 |
| WO2000014559A3 (en) | 2000-06-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1135694B1 (en) | Device for high resolution measurement of magnetic fields | |
| EP2443469B1 (en) | Electrical resistance elements and measuring system for measuring time-variable magnetic fields or field gradients | |
| EP0130490B1 (en) | Super-conductive gradiometer coil system for a device for the multichannel testing of weak, changing magnetic fields | |
| EP0257342B1 (en) | Squid magnetometer for a single or multiple channel, very weak magnetic field measuring apparatus | |
| EP0413388B1 (en) | Current distribution noise suppression method for a dc squid | |
| DE112016003215T5 (en) | Microwave photon counter without quantum destruction based on the cross-Kerr nonlinearity of a Josephson junction embedded in a superconducting circuit | |
| DE60314431T2 (en) | SUPERCONDUCTORY QUANTUM INTERFERENCE DEVICE | |
| DE102011120784B4 (en) | Magnetic field sensor with high-temperature superconductor and manufacturing method thereof | |
| WO1994029739A1 (en) | RF-SQUID WITH AN INTEGRATED μ MICROWAVE RESONATOR USEFUL AS HIGHLY SENSITIVE MAGNETOMETER | |
| DE19840071A1 (en) | Shapiro step SQUID | |
| DE112018005423B4 (en) | MAGNETIC FIELD MEASUREMENT ELEMENT, MAGNETIC FIELD MEASUREMENT DEVICE AND MAGNETIC FIELD MEASUREMENT SYSTEM | |
| DE10041797C2 (en) | Magnetic field sensitive thin film sensor device with linear sensor element and flux antenna | |
| DE19511172C2 (en) | rf-SQUID with tank circuit | |
| DE102004044588B4 (en) | current sensor | |
| Wiedenmann | Induced topological superconductivity in HgTe based nanostructures | |
| DE4323040A1 (en) | Josephson sensor device with superconducting parts comprising metal oxide superconductor material | |
| DE4317966C2 (en) | Squid device with a superconducting detection surface | |
| EP0787362B1 (en) | Concentrated component and a high-frequency circuit containing such a component | |
| EP0441281A2 (en) | Circuit arrangement with squids | |
| DE10063735C1 (en) | Superconducting quantum interference detector sensor has several trimming structures in form of removable protrusions formed on arms forming SQUID hole | |
| EP0619497A1 (en) | SQUID sensing device with a detecting and a readant SQUID | |
| DE3936686C2 (en) | ||
| DE19935201C2 (en) | HTSL quantum interference sensor with high sensitivity | |
| DE19517399A1 (en) | Rf superconductive quantum interference device (SQUID) | |
| DE102007002115A1 (en) | Electrical and/or magnetic parameter e.g. magnetic flow, measuring arrangement, has reading circuit for detection of output signals of qubit, and feedback circuit converting signals into magnetic flow and providing final measurement signal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |