Квантовые рэтчеты (выпрямители). Новый сверхпроводящий двухконтурный интерферометр

1.

Квантовые рэтчеты (выпрямители)
Новый сверхпроводящий двухконтурный
интерферометр
В.Л. Гуртовой
Лаб ИКС, МФТИ
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых
материалов РАН, 142432 Черноголовка, Московской обл.
e-mail: [email protected]

2.

Схематическое представление измерительной установки.
3 М, 1 М, 500 к, 200 к, 100 к
Генератор
DS360
Калиброванное
термосопротивление
R(300 K)=1.44 kОм
Персональный
компьютер
«Ток»
×2
RS232
10 kOм
Инструментальный
усилитель КУ=1000
Т~1.3 К
IB=100 нА
π
π
π
Источник тока
Keithley 2636A
образец
×1000
Усилитель
SR560
«Напряжение»
АЦП
π
π
В
Усилитель
мощности
Функциональный
генератор
DS340
«Магнитное
поле»
0.2 Ом
Нановольтметр
Keithley 2182A
«Температура»
Многоуровневая шумовая фильтрация всех проводов в криостате.
По четырем каналам измеряются ток, напряжение, магнитное поле, температура – что позволяет
проводить измерение следующих зависимостей – R(T), R(B), V(B), V(I), IC(B), IC(T)…. итд

3.

R. Feynman`s Pawl and Ratchet Device
(Marian Smoluchowski, 1912)
Directed motion is forbidden at
equilibrium (T1=T2)
Directed motion is possible
when T1>T2
Contrary to classical ratchet, in
quantum system like
superconducting ring there is
already directed motion at
equilibrium – persistent current
Unsolved problem yet – either it
is possible or not to produce
useful work from persistent
current

4.

Все периодические явления в сверхпроводящих кольцах –результат
боровского квантования
pdl (mv qA)dl m v dl q n2
l
l
l
Спектр разрешенных скоростей квантован
2
v
dl
(
n
)
v
(
n
)
and
l
m
0
mr
0
В результате устойчивый ток равен
I P 2en v s 2en s
(n
)
Слабое экранирование
mr
0
I L≈10µA×7pH≈0.03Φ
P
0
Iс+ = (sn+sw)(jc - IP/sn)
Iс- = (sn+sw)(jc - IP/sw)
Ic,an=Iс+ - Iс- = IP (sw/sn - sn/sw)
Измеряемые эффекты:
Литтл-Паркс RLP ~ <v2>
Выпрямление ~ <v>
IC+, ICIC,an
~ jC- kv
~ v

5. Исследуемые асимметричные Al структуры

Связанная
пара колец
(DRs)
Раздельная
DRs структ.
Одно
кольцоe
(SR)
B
f=5 кГц
WL
Питание катушки
(f=0.1-1 Гц)
Напряжение
на структуре
Связанная DRs
структура со
слабым местом
ADC card
Ширина широкой и узкой частей колец ~ 0.4 and 0.2 μm, соответственно.
Диаметр одиночного и большого колец 4 μm, диаметр малого кольца 3.36 μm

6. Приготовление образцов и их свойства

• Исследуемые структуры изготовлялись из алюминиевой пленки толщиной 40-60 nm, термически напыленной на окисленную кремниевую подложку с ширинами
полукольца 200 and 250, 300,350, and 400 nm для узкой
и широкой частей соответственно.
• Диаметр одиночных колец (SR) и больших колец в
паре (DRs). Отношение площадей большого ималого
колец 1.42. Структуры были сформированы
электронно-лучевой литографией с использованием
«lift-off» процесса.
• Электросопротивление используемых пленок
состовляло 0.2-0.5 Ω/□ при 4.2 K, отношение
сопротивлений R(300 K)/R(4.2 K)=2.5-3.5, температура
сверхпроводящего перехода ~1.24-1.35 K.
• Оценка длины когерентности ξ(T=0 K) составляет 170
nm, глубины проникновения (T=0 K) 80 nm.

7. Качественное объяснение формирования сигнала выпрямленного напряжения.

20
0
T=1.2432 K
200
T=1.2409 K
Voltage ( V)
Voltage ( V)
40
T=1.2369 K
-20
-40
T=1.2247 K
100
IC-
0
-100
IC+
VR(B)
-200
-10 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Current( A)
Ф = nФ0, n=0,±1… (IP=0)
ВАХ симметричны: IC+ = ICВыпрямленное напряжение = 0
-20
-10
0
10
20
Current( A)
Ф ≠ nФ0 (IP ≠ 0)
ВАХ асимметричны: IC+ ≠ ICВыпрямленное напряжение ≠ 0

8. Выпрямленное напряжение для SR структуры в магнитном поле.

IB=13.5 A
30
Voltage ( V)
20
10
T=1.214 K
IB=12.3 A
0
-10
-20
IB=10.8 A
-30
-40
-50
-20 -15 -10
-5
0
5
10
Magnetic Field (Oe)
15
20
Выпрямленное напряжение
-периодическая функция
магнитного поля с периодом,
отвечающим кванту потока
Φ0=h/2e
«нули» выпрямленного напряжения в Φ=nΦ0 и Φ=Φ0 (n+1/2)
Максимумы и минимумы
наблюдаются при Φ≈Φ0 (n±1/4),
(n=0,±1,…).
Амплитуда выпрямленного
напряжения немонотонно
зависит от амплитуды
переменного тока, протекающего
через структуру.

9. Зависимость выпрямленного напряжения от тока накачки и температуры для SR

VMax
30
12
25
IMax
10
T=1.214 K
8
6
4
IC
2
0
10
12
14
16
18
20
22
40
30
20
20
15
10
10
5
Bias Current ( A)
Critical Current (IC) of the SR
Bias Current at Max. Volt. (IMax)
Maximum Voltage (VMax)
0
1.20
1.21
1.22
1.23
0
1.24
Temperature (k)
Амплитуда осцилляций выпрямленного напряжения имеет
резкий максимум в зависимости от амплитуды тока накачки.
Максимум наблюдается при амплитуде тока немного выше
критического тока структуры IC и демонстрирует подобную
температурную зависимость (IMax≈IC (T)).
Maximum Voltage ( V)
14
35
Current ( A)
Oscillation Amplitude ( V)
16

10. Эффективность выпрямления для одного кольца

40
Rectification efficiency (%)
Maximum Voltage ( V)
50
RMax=VMax/IMax=1.45 at low T
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
Current at Maximum ( A)
30
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
1.20
1.21
1.22
1.23
Temperature (K)
• Асимметричное кольцо эффективный детектор переменного
тока. Эффективность выпрямления = RMax/RN ≈26% при
низкой температуре, где RMax=VMax/IMax и RN – сопротивление в
нормальном состоянии.
• Эффективность выпрямления уменьшается при приближении к TC

11. Разнесенная пара колец (DRs)

fS
FFT Amplitude
6
4
fL
2
T=1.232 K
IB=11.1 A
3fS
0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
-1
Frequency 1/B (Oe )
В Фурье-спектре основной вклад определяется
осцилляциями от большого и малого колец.
Разнесенная DRs структура выпрямляет как два
практически независимых кольца.

12.

Пара связанных колец
20
Связь пары колец приводит к появлению дополнительных осцилляций с периодом, отвечающим разности площадей колец (SL - SS).
Voltage ( V)
15
10
5
T=1.2095 K
IB=21 A
0
-5
-10
-15
-15
1.6
)
-1
T=1.2095 K
IB=21 A
1.2
1.0
0.8
0.6
fL
fS
0.4
0.2
0.0
0
-10
-5
0
5
10
Magnetic Field (Oe)
1.4
Frequency1/B(Oe
fL-S
2
4
FFT Amplitude
6
15

13.

Внедрение слабого места в
общий участок связанных
колец приводит к подавлению
разностной гармоники и
появлению осцилляций,
отвечающих суммарной
площади колец.
Frequency 1/B (Oe
-1
)
2.0
IB=23 A
IB=22 A
1.8
1.6
V o lt a g eV )(
Связанные кольца со слабым местом
IB=25 A
T=1.3169 K
1.4
1.2
fL+S
1.0
0.8
fL
0.6
fS
0.4
0.2
0.0
fL-S
0
10
20
FFT Amplitude
30
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
IB=25 A
IB=23 A
T=1.3169 K
IB=22 A
-20
-10
0
10
Magnetic Field (Oe)
20

14. Выпрямленное напряжение и Ic,an=I с+ - I с- ~ IP от магнитного поля для SR, DRs и 20-Rs структур

IC+,IC-,IAn ( A), V( V)
SR
20
T=1.2147 K
IC+
15
10
V
5
IAn
0
-5
-10
-15
-IC-
-20
20-Rs
|Iext|c--|Iext|c+, A; V/20, V
-25
-10
5.0
0
10
Magnetic Field (Oe)
Ic+
0
-10
-10
Vdc
-Ic,an
-5
-Ic-
0
B, Oe
5
V/20
2.5
0
-2.5
-5.0
DR
10
Ic+, Ic-, Ic,an, A; Vdc/4, V
25
Выпрямленное напряжение и Ic,an=I с+ - I с- ~ IP от
магнитного поля для SR, DRs и 20-Rs структур
-4
0
/ 0
4
Для асимметричных SR, 20-R и даже
DRs структур с кольцами разного
диаметра выпрямленное напряжение
пропорционально разнице критических токов противоположных
направлений (анизотропии), которые ~
<v>, а не v.
10

15. Наблюдение двух состояний с близкими энергиями в одиночном кольце с вырезом

30
Симметричное
кольцо
2
I c, A
10
Ic+
1
-Ic-
-10
Кольцо с вырезом
0.5 μm
-30
-5.0
2
-2.5
0
/ 0
2.5
5.0

16.

Выводы
Выпрямленное напряжение одиночного кольца - периодическая функция
магнитного поля с периодом, отвечающим кванту потока Φ0=h/2e.
Амплитуда выпрямленного напряжения одиночного кольца демонстрирует пико
подобное поведение в зависимости от тока. Пик расположен вблизи амплитуды
переменного тока, равной критическому току.
Эффективность выпрямления одиночного кольца состовляет 26 % при низкой
температуре и уменьшается при приближении к TC.
Выпрямление переменного тока парой разнесенных колец демонстрирует
независимый, адитивный характер.
Фурье- спектр осцилляций выпрямленного парой связанных колец напряжения
показывает компоненты, связанные с большим и малым кольцами (как в
предыдущем пункте), и также компоненту соответствующую разности площадей
большого и малого колец.
Для связанной пары колец со слабым местом в месте соприкосновения
осцилляции, соответствующие разности площадей, подавлены, в то же время
появляются осцилляции, соответствующие сумме площадей колец.
Осцилляции выпрямленного напряжения пропорциональны анизотропии
критического тока (IC+-IC-)(Φ/Φ0), которая возникает в результате сдвига фазы,
равной по потоку Φ0/2, для токов противоположного направления.
Фазовый сдвиг (ΔΦ= Φ0/2) не зависит от температуры (0.94-0.99Tc), тока (3-50 μA) и
степени асимметрии колец.
Осцилляции Литтла-Паркса для симметричного и асимметричного колец
подобны. Минимум наблюдается при nΦ0 и максимумы при (n+1/2)Φ0.
Измерения критического тока асимметричных колец противоречат
наблюдающемуся на этих же образцах эффекту Литтла-Паркса.

17. Множественные последовательно соединенные асимметричные кольца

2 μm diameter
110 ring
structure
Arm width 200
and 400 nm
WL
1 μm diameter
667 ring
Structure
Arm width 100
and 150 nm
Low operation temperature ~1 K – very low intrinsic noise level
Operation from DC up to 10 GHz
Structures were fabricated by e-beam lithography using NanoMaker

18. Operation of asymmetric ring structure as noise detector. Temperature dependence of rectification efficiency and rectified voltage (IB=0) in near TC region for 110 ring structure

11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
1.31
R(T)/Rn(960 )
1.0
0.8
RV(IB=0)
0.6
0.4
0.2
0.0
1.32
1.33
1.34
1.35
1.36
1.37
1.38
1.39
Temperature (K)
1 nA
V, V
1
-1
-4
-3
0 nA
-2
-1
0
1
/ 0
2
Rectification efficiency was measured in
fluctuation region of resistive transition. It
was non zero at T>TC. Thus, the structure
was calibrated as noise detector
Temperature dependence of rectified voltage
at IB=0 (noise) consists of two peaks of
unknown origin at 0.15 Rn and 0.5 Rn
For 0.5 Rn peak, rectification efficiency is
0.3%, which corresponds to 0.003Rn=3 Ω
rectification resistance. <Ith2>1/2 0.3 μV/3
Ω=100 nA. Noise power for one ring WN=(Rn /
110)<Ith2> 8.7×10-14 W. This equivalent to the
Nyquist noise at T=1.36 K - WNQ=kBT f with
f=5×109 Hz, which is 6 times lower than the
quantum limit kBT/h=3×1010 Hz
Iext= 3 nA
-1 nA
Rectified Voltage ( V), R(T)/Rn
Rectification Efficiency (%)
Operation of asymmetric ring structure as noise detector.
Temperature dependence of rectification efficiency and rectified
voltage (IB=0) in near TC region for 110 ring structure
-3 nA
3
4
Rectified voltage measured at IB=0 and
small DC bias – rectification of noise

19. Little-Parks and IC(B) oscillations, and resistive transitions at different bias currents for 667- ring structure (1 µm)

5
0
-5
-10
5000
IB= +2 nA
IB=+1 nA
IB= 0 nA
Resistance ( )
LP Voltage ( V)
10
T=1.3254 K
IB= -1 nA
IB= -2 nA
-80
-60
3000
2000
From right to left
IB=20, 40, 100, 200,
1000
300, 400, 500 nA
0
-40
-20
0
20
40
60
80
Magnetic Field (Oe)
Critical Current ( A)
4000
5 T=1.2679 K
4 T=1.2829 K
1.31
1.32 1.33
1.34
Temperature (K)
1.35
•Little-Parks effect was measured at IB=1 nA <<
IP≈200 nA, which means that in one of the ring arms,
IP direction is against the externally applied voltage
• Structure is homogeneous, ΔTC=0.008 K
• Opposite direction critical current oscillations are
symmetric (IC+(B)=- IC-(B)) except for narrow regions
near (n+1/2)Ф0 resulting in formation of sharp peaks
of opposite sign rectified voltage near (n+1/2)Ф0,
which are the points of magnetic field with
maximum rectification efficiency.
Modulation amplitude riches 70% which confirms increase of the
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-100 -80 -60 -40 -20
1.30
0
20
40
Magnetic Field (Oe)
60
80 100
persistent current amplitude
Due to better filtering of measurement leads in helium cryostat,
rectified voltage was not observed at I B=0 (was lower than 30 nV).
To detect RV at IB=0 larger number of rings is required

20. Typical rectified voltage and rectification efficiency for 667- ring structure

T=1.307 K
10 INoise,A=100 nA
5
0
-5
-10
-80 -60 -40 -20
0
20
40
60
80 100
Magnetic Field (Oe)
RV is easily measured even at
external white noise amplitude
(bandwidth 0-200 kHz) of
INoise,A=10 nA
20
3.0
T=1.307 K
2.5
15
2.0
10
1.5
1.0
5
0.5
0
0
50
100
150
200
0.0
250
Noise Current Ampl. (nA)
From calibration curves, we can
estimate that nonequilibrium noise
power in our system is lower than
2×10-15 W, i.e. lower than 0.4% of
equilibrium noise
Rectification Eff. (%)
Rectified Voltage Ampl. ( V)
Rectified Voltage ( V)
Typical rectified voltage and rectification efficiency for 667ring structure

21.

Исследование возможности самодетектирования
квантовых состояний в сверхпроводящих кольцах
The simplest ring structure without JJs as a self-detector of
quantum states
Outline
Asymmetric ring with symmetric contacts
Asymmetric ring with asymmetric contacts
Symmetric double ring structure (without JJ)
Asymmetric double ring structure
Fabrication defect

22.

The simplest detector of states based on critical
current measurements is asymmetric ring (?)
Critical Current ( A)
24
S – W = 0.4
μm
22
20
18
A
A
A
A
S
16
14
12
10
– WW = 0.4 μm, WN = 0.2 μm
– WW = 0.35 μm, WN = 0.2 μm
– WW = 0.3 μm, WN = 0.2 μm
– WW = 0.25 μm, WN = 0.2 μm
– W = 0.2 μm
8
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Magnetic Field (Oe)
Calculation of critical current for symmetric
and asymmetric rings. All rings are 4 µm in
diameter
Maxima are at Ф=nФ0
Minima are at Ф=(n+1/2)Ф0
Symmetric rings without current jumps at
Ф=(n+1/2)Ф0
Asymmetric rings with current jumps at

23. Flux shift of opposite direction critical currents in asymmetric SRs compared to symmetric SRs

Asymmetric ring WW/WN=2
Symmetric ring
∆Φ=Φ0/2
∆Φ=(0.02-0.07)Φ0
30
20
15
Ic , A
Ic+; -Ic- ( A); R ( )
Φ0/4
R
0
0
-15
-20
-4
-3
-2
-1Φ /4 0 1 2 3 4
/ 0
•Flux shift (∆Φ) is slightly temperature
dependent (0.94-0.99Tc) and current (3-50 μA),
showing that currents flowing through the
ring and additional magnetic flux induced by
currents are not responsible for this shift
0
-30
-10
-5
0
/ 0
5
10
•In symmetric rings, ∆Φ=(0.02-0.07)Φo,
which could be explained by non
ideal form and inhomogeneous
thickness of the rings

24. Shift as function of asymmetry degree.

Ic, A; R,
Flux Shift ( / 0)
0.5
0.4
0.3
0.2
21
=-0.5 0 = 0
Ic-
Ic+
R
14
0.1
0.0
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Asymmetry Degree, WW /WN
2.0
-4
Flux shift dependence on asymmetry degree at T≈0.95TC
-2
0
/ 0
2
4
Iс+( / 0)=Iс-( / 0+0.5)
•Amplitude changes of critical current has been expected instead of argument changes.
•There is nothing in the Bohr‘s quantization rule that can explain flux shift.
•Little-Parks and rectified voltage measurements demonstrate existence of two degenerate
states at (n+1/2)Φ0, whereas critical current measurements do not.
•Measurements of critical current are in contradiction with Little-Parks and rectified
voltage measurements.

25. Asymmetric rings with asymmetric contacts

Critical Current (a.u.)
Asymmetric rings with asymmetric contacts
1.2 1.1
150
1.05
1.3
100
1.5
-10
Diameter - 2 μm
-5
0
5
10
Magnetic Field (Oe)
Ratio of ring segments – 1.3
Т= 0.9Тс
•Зависимость критического тока от
магнитного поля при разных
температурах
•Неопределенность квантового числа n
составляет около Ф0/2, что не
соответствует теории
•Самодетектирование квантовых
состояний в кольцах - невозможно
0.933Тс
0.955Тс
Тс = 1.52 К

26. Investigated Al ring structures without JJs

Symmetric double ring structure
4.2 μm
4.6 μm
Asymmetric double ring structure
WL
fabrication defect
Structures were fabricated by e-beam lithography using NanoMaker
Fabrication defect resulted in drastic difference of I (B) compared to symmetric structure

27. Critical current in symmetric double ring detector

9
Critical Current ( A)
Critical Current ( A)
9
8
7
-7
-8
7
6
-9
-5
8
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
to that of symmetric type structure
•All details of critical current are in
agreement with theory
•The only fitting parameter was the area
of the rings
2
3
4
5
6
7
7
Quantum Numbers
• Critical current behavior corresponds
1
Magnetic Field (Oe)
Magnetic Field (Oe)
•Current jumps are observed
0
L
S
6
5
4
3
Int
2
1
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
Magnetic Field (Oe)
7

28. Critical current in asymmetric double ring detector

20
20
Critical Current ( A)
Critical Current ( A)
ΔB
-18
-19
-20
-21
-22
-3
-2
-1
0
1
2
15
-20
3
0.016 Oe
2.3
•Multiple current states are revealed
• The width of current jump ~0.016 Oe=
0.016Ф0
•Double and triple current states are
detected
Critical Current ( A)
•Current jumps are observed
2.5
2.6
2.7
Magnetic Field (Oe)
Magnetic Field (Oe)
•Critical current behavior corresponds to
that of asymmetric type structure
2.4
24
23
22
21
20
19
18
-19
-20
-21
-22
-23
-24
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Magnetic Field (Oe)
1.4
1.6

29. “Possible” explanation of critical current in asymmetric structures

45.0
ncon=0
ncon=0
Ncon
NS
NL
40.0
37.5
ncon=1
ncon=-1
-3.0
-1.5
0
B, Oe
1.5
3.0
50
ncon=±1
•Minimum energy states correspond to
Ncon=0
40
30
•Next energy level corresponds to
Ncon=±1
20
10
0
-3
•Direct explanation of asymmetric
structure critical current is not possible
•Critical current of asymmetric structure
was “symmetrized”
60
Energy (K)
Ic, A
42.5
ncon=0
E
-2
-1
0
1
Magnetic Field (Oe)
2
3

30. Geometry and Fabrication of Superconducting DDCI as Detector of Quantum States

Structure was fabricated by e-beam
lithography to form suspended resist mask
and two angle shadow evaporation of
aluminum (30 nm and 35 nm) with
intermediate first aluminum layer oxidation
Square side – 4 and 20 μm, width – 0.3 μm
R(4.2 K)=6 kΩ
Second
contour
Suspended Resist Mask
JJ
First
contour
JJ
4 & 20 μm
Optical image of DDCI
JJs
The DDCI structure consists of two
independent superconducting square
contours connected by two Josephson
junctions

31.

Phase relation for Josephson Junctions
Phase difference for 3 contours :
φ412 = πn1
a half of 1-2-3-4-1 contour
φ678 = πn2
a half of 5-6-7-8-5 contour
For a contour 1-2-9-6-7-8-10-4-1
φ412+Δφ9+φ678+Δφ10=2πn3 or
πn1 +Δφ9+ πn2 +Δφ10=2πn3
Where n1, n2, n3 are integers and
Critical current of structure is
determined by areas of JJs S9
and S10 since
(S1, S7) > (S9+S10)
Δφ9, Δφ10 phase difference on 9 and 10 JJs
We neglect phase difference on small segments
2-9, 9-6, 8-10, 10-4

32.

Phase Dependence of Current through DDCI
I=Ic9sinΔφ9+Ic10sin(-Δφ10)
I
remembering that
πn1 +Δφ9+ πn2 +Δφ10=2πn3 and
substituting
Δφ10 one can get
I=Ic9sinΔφ9+Ic10sin(-2πn3 +π(n1+n2)+Δφ9)
Due to periodicity of sin(x), 2πn3 could be
omitted. Finally
I=Ic9sinΔφ9 +Ic10sin(Δφ9+ π(n1+n2)) (1)
Ic9 +Ic10 , when (n1+n2) is even
IC= Imax =
Ic9 -Ic10 , when (n1+n2) is odd
In (1), current depends only on parity of quantum number sum and does not depend
on contour areas and magnetic field ! ! - Ideal detector of quantum states
In case of Ic9 =Ic10=I0, there will be critical current jumps from zero to 2I0 and back
to zero for sequential changes of n1 and n2

33.

Экспериментальные скачки напряжения (20 µm) из-за изменений
квантовых чисел в магнитном поле (T=1.1 K)
130
T=1.1 K
IB=20 nA
V oltage( V)
125
120
115
110
105
-3
-2
-1
0
1
2
3
Magnetic Field (Oe)
• Период осцилляций равен 0.052 Oe, что
соответствует 20 µm контуру
• Наблюдается амплитудная модуляция с
периодом ~0.8 Oe, что объясняется
пространственным сдвигом контуров из-за
двухуглового напыления
• Отклик по напряжению следует
температурной зависимости
сверхпроводящей щели, достигая 200 µV при
0.6 K
• Чувствительность в области скачков
напряжения ~ 200 µV/Ф0 (T=1.1 К)
130
130
T=1.1 K
IB=20 nA
V oltage( V)
V oltage( V)
T=1.1 K
IB=20 nA
120
110
-3
-2
-1
0
1
Magnetic Field (Oe)
2
3
120
110
-0.5
0.0
0.5
Magnetic Field (Oe)
1.0

34. Current-Voltage characteristics (20 µm) at different magnetic fields corresponding to (n1+n2) changes by 1

200
40
T=0.6 K
150
30
20
Current (nA)
Current (nA)
100
50
0
-50
-100
-150
-200
T=0.6 K
10
0
-10
-20
-30
-1.0
-0.5
0.0
Voltage (mV)
0.5
1.0
-40
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
Voltage (mV)
0.4
0.6

35.

Voltage jumps (4 µm) due to changes of quantum numbers in
magnetic field in near Tc resistive transition region
48
T = 1.2365 K
Ib=3.6 nA
Voltage ( V)
47
In case of Ic9 =Ic10=I0, any bias current IB<<I0< IP
produces voltage jumps from 0 to IBRN/3 and
back (RN – normal resistance of one of JJs)
For typical IB=1 nA and RN=13 kΩ, there will be
voltage jumps of 2 μV
At IB=3.6 nA, periodic (Ф0 ) voltage jumps with
amplitude ~ 2 μV are observed. There is also
hysteretic behavior with changing direction of
B
46
45
44
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Magnetic Field (Oe)
305
Voltage ( V)
T= 1.2330 K
Ib=24 nA
• At IB=24 nA, instead of meander type
saw-toothed voltage is detected
300
295
-10
-5
0
5
Magnetic Field (Oe)
10

36.

Future experiments (Ideas)
Из-за пространственного сдвига контуров наблюдается амплитудная модуляция
отклика ДДКИ. «Идеальный» ДДКИ (без сдвига) можно изготовить из трехслойных
Nb-AlOX-Nb структур
Чувтвительность любого детектора магнитного поля зависит от dV/dФ.
Максимальная чувствительность сквмда ~ 10 μV/Ф0, Чувствительность улучшенных
структур (Superconducting Quantum Interference Proximity Transistor) ~ 60 μV/Ф0. В
случае ДДКИ, dV/dФ ~200 μV/Ф0. ДДКИ может использоваться для разработки
детекторов магнитного поля с высокой чувствительности.
Выводы
Достоинства ДДКИ заключаются в том, что при изменении квантового числа
на единицу, интерферометр дает максимально возможный отклик для
сверхпроводящего устройства – скачки напряжения, равные величине
сверхпроводящей щели. Ввиду, независимости скачков напряжения от
площади контуров предлагается также использовать этот интерферометр как
прецизионный
измеритель
магнитного
поля
с
уникальной
чувствительностью. Показано, что двухконтурные
сверхпроводящие
интерферометры с большой площадью могут быть использованы в качестве
цифровых магнетометров.

37. Выводы

Проведены измерения критического тока одиночных, двойных, множественных сверхпроводящих
асимметричных колец и других асимметричных структур. Обнаружен сдвиг экстремумов тока и
множественные токовые состояния в магнитном поле. Поведение сдвига исследовано как функция
степени асимметрии колец и температуры. Сдвиг экстремумов критического тока противоречит
измерениям осцилляций сопротивления Литтла-Паркса и выпрямленного напряжения.
Эффект выпрямления асимметричных структур удалось объяснить анизотропией критических токов.
Предложена структура из множественных последовательно соединенных асимметричных колец как
детектор неравновесных шумов. Впервые проведена калибровка детектора шумов и измерен
температурный спектр шумов в рабочем диапазоне температур с разным количеством асимметричных
колец (до 1080), позволяющих измерять постоянные напряжения около 10-11 Вольт с одного
асимметричного кольца. Минимальная измеренная мощность составила 2х10-15 Вт.
Показано, что асимметричное кольцо не может быть простейшим детектором квантовых состояний.
Предложена двухкольцевая структура с фазовой связью колец, где в симметричных структурах
впервые наблюдались скачки критического тока, соответствующие изменению квантовых чисел в
сверхпроводящих контурах. Эксперимент для симметричных структур хорошо описывается теорией. В
случае асимметричных структур наблюдается одновременно сдвиг экстремумов тока и множественные
состояния. Поведение асимметричных структур не описывается теорией.
Предложен и реализован новый квантовый прибор – дифференциальный двухконтурный
сверхпроводящий интерферометр, Проведен анализ работы интерферометра. Отклик интерферометра
зависит от четности суммы квантовых чисел контуров. Изготовлены структуры интерферометров с
размерами 4 и 20 мкм, проведены измерения в широком диапазоне температур (0.4-1)Тс. К
достоинствам прибора относится тот факт, что при изменении квантового числа на единицу,
интерферометр дает максимально возможный отклик для сверхпроводящего устройства – скачки
напряжения, равные величине сверхпроводящей щели. Ввиду, независимости скачков напряжения от
площади колец предлагается также использовать этот интерферометр как прецизионный измеритель
магнитного поля с уникальной чувствительностью. Показано, что двухконтурные сверхпроводящие
интерферометры с большой площадью могут быть использованы в качестве цифровых
магнетометров.
Thank you
for
your attention