超导量子干涉器件

超导现象是一种宏观量子现象.磁通量子化和约瑟夫森效应是两个最能体现这种宏观量子特性的物理现象.超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是利用这两个特性而形成的超导器件.SQUID器件在磁信号灵敏探测方面具有广泛的应用.本文简要介绍低温超导和高温超导SQUID器件的相关背景和发展现状以及应用领域.     

串联超导量子干涉器件阵列制备与测试分析

串联超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)阵列通过增加 SQUID 数量来达到提升信噪比的目的,即SQUID电压信号随SQUID数目比例增加而总电压噪声正比于SQUID数目的平方根值.本文介绍了利用自主工艺线进行串联SQUID阵列研究的相关研究进展,实现了SQUID数量分别为200和800的阵列集成,测试得到磁通噪声达到0.5 μΦ_0/Hz~(1/2)和输入电流灵敏度35 μA/Φ_0,等效输入电流噪声达到18 pA/Hz~(1/2).另外,还给出了阵列参数与集成SQUID数量的关系,验证了设计可靠性和工艺一致性.     

薛定谔之超导量子干涉器件

 大家知道,量子力学的奠基人之一,奥地利物理学家薛定谔（ＥｒｗｉｎＳｃｈｉｒｏｄｉｎｇｅｒ１８８７－１９６１）曾通过他建议的一个假想实验：薛定谔之猫,把适用于微观世界的量子力学概念推广应用到宏观世界．想象有一只猎和一瓶氰化钾一起被关在一个封闭的箱子里．装氰化钾的瓶子位于一个锤子下面,锤子的状态由一个放射性源（如铀）所控制．当第一个铀原子蜕变时,锤子下落打碎玻璃瓶,氰化钾的毒气放出来,猫被毒死,但按照量子力学原理,我们不能准确地说出第一个铀原子在什么时候蜕变,只能用概率来表达;例如,在一分钟里,铀原子发生或不发生蜕变的概率各为５０％．     

阻尼型高温直流超导量子干涉器磁强计的设计

理论分析了超导环路与一个电阻并联结构的直流超导量子干涉器(dc-SQUID)的特性.给出了这种阻尼型dc-SQUID的电压噪声谱密度、传输函数和磁通噪声谱密度随偏置电流变化的曲线.与无阻尼型高温器件比较，调制参量β大于1的阻尼型高温dc-SQUID磁强计具有高稳定性和易调试等优点.当β大于4时，因传输函数的增大，阻尼型dc-SQUID还能降低它的磁通噪声谱密度从而提高磁强计的检测灵敏度.根据现有高温超导薄膜器件的工艺条件，设计了β等于4的阻尼型高温dc-SQUID磁强计的芯片、其磁通噪声和磁场噪声的理论值 关键词：     

超导量子干涉器件与微弱磁场的测量

本文对超导量子干涉器件的特性和超导磁强计的工作原理及应用,进行了较为详尽的分析和论述．一、概述自发现超导电性以后,人们就不断地探求它在精密测量等方面的应用的可能性．然而只有在１９６２年约瑟夫森预言存在超导约瑟夫森效应并且其后人们相继研制出直流超导量子干涉器件和射频超导量子干涉器件之后,超导电性在精密测量等方面的应用才展现出光辉的前景并获得了惊人的进展．超导量子干涉器件——ＳＱＵＩＤ（ｓｕｐｅ?...     

用Bose—Einstein凝聚体模拟超导量子干涉器件

正使用超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)对磁场进行精密测量,是超导应用的一个重要分支。测量可达到的精度是一个磁通量子的若干分之一。磁通量子Φ0=h/2e=2.07×10-15Wb,其中h是普朗克常数,e是电子电荷。SQUID能够达到如此高的灵敏度,根本原因在于其中的量子力学效应在宏观尺度上得到了充分的展示。可以说,SQUID是量子工程的一个典型产物。我们的问题是,Bose—Einstein凝聚体,作为超导体的相似客体,它的宏观量子干涉效     

超导量子计算核心器件

算力是数字经济时代新的生产力。量子计算基于量子力学的规律进行计算,人们普遍相信它可以在不久的将来在某些问题上完成经典计算机所无法完成的计算任务,实现量子优越性。作为最有可能实现通用量子计算的平台之一,以约瑟夫森结为核心元件的超导量子比特,在量子控制和量子测量方面具有稳定、可靠、便于设计和扩展等独特的优势,受到科学界甚至产业界的广泛关注,正在高速发展。文章围绕约瑟夫森结这一具有非线性和无耗散特征的超导量子器件,阐述了超导量子比特的基本原理及结构特征,重点介绍超导量子芯片设计、加工方面的前沿进展,并对未来发展方向进行简单的展望。     

基于超导量子器件的量子计算

超导量子器件能够展现宏观量子相干性.基于超导量子器件的量子计算是量子信息领域中的一个重要研究方向,同时,超导量子器件物理特性的研究也是目前凝聚态物理和量子光学领域的交叉前沿课题.文章简述了近年来在超导量子计算方面的一些重要结果和进展,并讨论了其研究现状和发展趋势.     

用射频超导量子干涉器件测量高温超导体序参量的位相

利用射频超导量子干涉器件理论,提出了在一般的非回滞模式(β≤1,不限于β1)下测量高温超导体序参量对称性中相位信息的工作原理.以β=0.7为例对系统作了详细的讨论,给出在这个条件下用以测量序参量相位的射频偏置参量范围. 关键词：     

基于低温超导量子干涉器件的脑 听觉激励磁场探测

本文利用磁屏蔽室和二阶轴向梯度计抑制环境磁场噪声, 建立了单通道脑磁探测系统, 并对不用声音频率下脑听觉激励磁场N100m响应进行了初步探测.结果显示, 1000 Hz音频和100 ms持续声音激励下, N100m峰值的典型强度约为0.4 pT.在低的声音频率激励下, N100m峰出现延时, 100 Hz 和1000 Hz之间的延时差别达到25 ms.相比于1 kHz特定频率的声音激励, 1—4 kHz 随机变频下的N100m峰幅度增强, 出现了数毫秒的延时.本研究为下一步利用软件梯度计进行多通道脑磁系统和听觉机理研究奠定了一定的基础.     

铌基超导量子比特及辅助器件的制备

近年来超导量子计算的研究方兴未艾,随着谷歌宣布首次实现“量子优势”,这一领域的研究受到了人们进一步的广泛关注.超导量子比特是具有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等典型量子特性的宏观器件,通过电磁脉冲信号控制磁通量、电荷或具有非线性电感和无能量耗散的约瑟夫森结上的位相差,可对量子态进行精确调控,从而实现量子计算和量子信息处理.超导量子比特有着诸多方面的优势,很有希望成为普适量子计算的核心组成部分.以铌或其他硬金属(如钽等)为首层大面积材料制备的超导量子比特及辅助器件(简称铌基器件)拥有其独特的优点以及进一步发展的空间,目前已引起越来越多的兴趣.本文将介绍常见的多种超导量子比特的基本构成和工作原理,进而按照器件加工的一般顺序,从基片选择和预处理、薄膜生长、图形转移、刻蚀和约瑟夫森结的制备等方面详细介绍铌基超导量子比特及其辅助器件的多种制备工艺,为超导量子比特的制备提供一个可借鉴的清晰的工艺过程.最后,介绍若干制备铌基超导量子比特与辅助器件的具体例子,并对器件制备的工艺与方法的优化做展望.     

超导量子干涉器件读出电路中匹配变压器的传输特性研究

在磁通调制超导量子干涉器件(SQUID)的读出电路中, 匹配变压器具有放大信号和阻抗匹配的功能, 是实现SQUID低噪声读出的关键元件. 利用模拟SQUID电路对匹配变压器进行性能测试, 研究了不同绕制匝数变压器的传输特性, 确定最佳绕制匝数比. 在变压器拾取SQUID电压信号的耦合网络中, 研究了不同电容对变压器传输特性的影响, 实现了变压器耦合网络参数的匹配和优化. 室温下匝数比为1:20的匹配变压器在匹配电容C=1μF时, 输出源电压增益为21.2, 带宽范围可达到210 kHz. 最后在基于磁通调制式DC SQUID读出电路中, 对匹配变压器的工作性能进行了评估与验证. 关键词： 超导量子干涉器件读出电路 匹配变压器 低噪声 传输特性     

超导量子器件片上皮法电容的制备及测量

片上集成电容是超导量子芯片上的核心器件，其数值一般在百飞法(fF)至皮法(pF)范围.采用常规微纳加工技术在蓝宝石基片上制备了铌-氧化硅-铝(Nb/SiO₂/Al)平行板电容.利用刻蚀工艺制备了平行板电容器的下极板Nb,利用剥离工艺制备平行板电容器的上极板Al和介电层SiO₂.室温下利用锁相放大原理和桥式电路原理测定电容大小，两种方法测定电容值基本一致，表明锁相放大原理测试pF级电容的可靠性.利用该电容与铝基约瑟夫森结组成谐振器，制备了中心频率位于4.35 GHz的约瑟夫森参量放大器.在稀释制冷机中10 mK温度下测定直流偏置谐振器的磁通-频率相位图，拟合数据获得的电容值与室温测定电容值接近，表明在mK、GHz条件下工作的片上集成电容可在室温、kHz条件下测定其数值大小.     

基于约瑟夫森器件的超导量子比特

超导量子比特利用了超导约瑟夫森隧道结的非线性效应,采用了半导体集成电路的工艺,以其无能耗,大设计加工自由度,易规模化等优点而倍受注目。本文对超导量子比特的基本原理及发展过程作了简要综述。首先简要回顾了量子计算的历史,然后介绍了超导量子比特的设计及其调控,并对各种超导量子比特的消相干进行了讨论。     

约瑟夫森器件中的宏观量子现象及超导量子计算

超导体中的电子结成库珀对,凝聚到可以用一个宏观波函数来描绘的能量基态,该波函数的位相是代表了成百万库珀对集体运动的宏观变量.以约瑟夫森结为基础元件的超导约瑟夫森器件,使人们能够控制并测量一个超导体的位相和库珀对数目,因此是研究宏观量子现象的理想系统.文章回顾了约瑟夫森器件中的宏观量子现象研究的发展历程,介绍了当前超导约瑟夫森器件在量子计算中的重要应用,并对它们的未来作了简要的展望.     

约瑟夫森器件中的宏观量子现象及超导量子计算

超导体中的电子结成库珀对，凝聚到可以用一个宏观波函数来描绘的能量基态，该波函数的位相是代表了成百万库珀对集体运动的宏观变量．以约瑟夫森结为基础元件的超导约瑟夫森器件，使人们能够控制并测量一个超导体的位相和库珀对数目，因此是研究宏观量子现象的理想系统．文章回顾了约瑟夫森器件中的宏观量子现象研究的发展历程，介绍了当前超导约瑟夫森器件在量子计算中的重要应用，并对它们的未来作了简要的展望．     

具有Washer型输入线圈的超导量子干涉放大器的制备与表征

超导量子干涉仪(SQUID)放大器具有低输入阻抗、低噪声、低功耗等优点, 目前被广泛用于微弱信号的检测领域. 与其他工艺相比, Nb/Al-AlO_x/Nb结构的约瑟夫森结具有相对较高的转变温度(T_c)、高的磁通电压调制系数以及良好的热循环能力、较宽的临界电流范围, 因此是制备SQUID放大器的很好选择. 设计并制作了欠阻尼、过阻尼约瑟夫森结以及具有Washer型输入线圈的单SQUID放大器, 通过在He³制冷机3 K温区下对器件电流-电压特性进行测量, 得到良好的结I-V特性曲线、SQUID调制特性, 初步实现利用SQUID进行放大作用, 并计算了SQUID的电流分辨率. 此项工作对于超导转变边沿传感器读出电路的实现具有重要的意义.     

结合超导量子干涉器的核磁共振技术

本文叙述了超导量子干涉器核磁共振技术的原理、测量特点以及其应用前景。     

高阶高温超导量子干涉器件平面式梯度计的设计

设计了一种高温超导平面式梯度计的探测线圈，利用这种探测线圈与超导量子干涉器件(SQ UID)耦合，可以制成二阶或更高阶的高温超导SQUID平面式磁场梯度计.设计的探测线 圈由两个闭合环路组成，每个闭合环路是由若干个环路通过细小的连接通道连接而成.两个 闭合环路由一条超导窄带分割，将SQUID与这条超导窄带耦合可以测出超导窄带上的电流大 小.通过调整各个环路的形状、面积和位置，可以使超导窄带上的电流与磁场的高阶梯度成 正比，从而测得磁场的高阶梯度. 通过计算，得到了各个环路的面积、电感以及位置的关 系，在理 关键词： 高阶平面式磁场梯度计 高温超导薄膜