一种约瑟夫森结测量系统及测量方法

1.本发明涉及超导技术领域，特别是涉及一种约瑟夫森结测量系统及测量方法。


背景技术：

2.随着超导量子比特和超导集成电路的高速发展，超导电路或将成为未来信息技术的重要组成部分。超导约瑟夫森结是超导电路中的基本单元，结的超导电流与结两端超导体中波函数相位差之间存在函数关系，这是超导宏观量子效应的一种体现。理想约瑟夫森结的电流-相位关系(cpr)呈现正弦函数is＝icsinθ，这里is是流过结的超导电流，ic是结的临界电流，θ是结两端的相位差，这是基本的直流约瑟夫森效应。然而，实际情况中随着材料缺陷和边界效应的影响，cpr往往会偏离正弦函数。对于基于约瑟夫森结的电子器件来说，微小的偏离对于器件的性能都会产生影响。除此之外，随着超导材料科学和纳米制造技术的进步，各种新型约瑟夫森结应运而生。其中很多结的模型已经不仅仅是偏离理想的正弦函数电流-相位关系了，而是会有更为复杂的电流-相位关系。因此准确测量电流-相位关系对于研究量子材料的基本属性，验证非常规约瑟夫森结的物理模型，进一步发展超导约瑟夫森器件性能均具有非常重要的基础意义。
3.由于超导波函数的相位不是可以直接测量的物理量，所以目前电流-相位关系都是采用间接测量的方法，主要有以下两种测量方法。
4.一种是将样品约瑟夫森结连入一个超导环路，通过磁场或者电流激励的方式来改变环路中的磁通，然后环路的磁通可以变化成结两端的相位，通过一个读出squid测量超导环路上因为磁通变化产生的感生电流。这种方法虽然可以测量到电流-相位关系的主要特征，但是squid测到的是感生电流耦合到squid环路的磁通从而无法精确测量环路内确切的电流值。
5.另一种测量方法是利用一个待测的约瑟夫森结和一个临界电流非常大的参考结构成的一个不对称的squid来进行测试，这种方法可以直接得到经过结的电流值，然而要求待测结的临界电流必须远小于参考结的临界电流，而且默认参考结为是一个理想的约瑟夫森结，这时squid的磁通调制关系可被近似成待测结的电流-相位关系。这种测量方法基于不对称的suid进行测试获得近似结果准确性也较差。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种约瑟夫森结测量系统及测量方法，用于解决现有技术中约瑟夫森结测量不准确的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种约瑟夫森结测量系统，包括：
8.励磁线圈，所述励磁线圈接入励磁电流，根据所述励磁电流产生励磁磁通；
9.样品超导环路，所述样品超导环路包括超导环和样品约瑟夫森结，所述样品约瑟夫森结串联在所述超导环中；所述样品超导环路根据所述励磁磁通产生所述样品约瑟夫森结两端之间的相位和样品超导环路的超导电流；
10.超导探测器结构，所述超导探测器结构包括超导量子干涉器环路，所述超导量子干涉器环路探测得到根据所述超导电流耦合至所述超导量子干涉器环路中的超导磁通，所述超导探测器结构根据所述超导磁通输出得到输出电压；
11.其中，基于所述励磁磁通与励磁电流的关系和所述励磁磁通与所述样品约瑟夫森结两端之间的相位的关系能够得到样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系；
12.根据所述输出电压、所述励磁电流、所述超导电流和所述样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系得到样品约瑟夫森结的相位与超导电流之间的关系。
13.优选地，所述样品约瑟夫森结包括两个，两个样品约瑟夫森结串联在超导环中，且将超导环分成两个通过所述样品约瑟夫森结连接的两个超导体。
14.优选地，所述超导环路设置有正电流测试端、负电流测试端、正电压测试端和负电压测试端；所述正电压测试端和所述正电流测试端连接其中一个超导体，所述负电压测试端和所述负电流测试端连接另一个超导体；其中，控制所述励磁电流得到电流测试端的临界电流，根据临界电流与超导电流之间的关系和所述励磁电流得到所述超导电流。
15.优选地，所述超导探测器结构还包括比较放大器、反馈电阻和反馈线圈；
16.所述比较放大器的输入端连接超导量子干涉器环路，所述比较放大器根据所述超导量子干涉器环路的电流和偏置电流得到所述输出电压；
17.所述反馈电阻的一端连接所述反馈线圈的一端，所述反馈线圈的另一端接地；
18.所述比较放大器的输出端和所述反馈电阻的另一端均连接所述超导探测器结构的输出端。
19.优选地，所述超导量子干涉器环路包括第一支路和第二支路；
20.所述第一支路包括串联的第一感应线圈和第一参考约瑟夫森结；
21.所述第二支路包括串联的第二感应线圈和第二参考约瑟夫森结；
22.所述第一感应线圈和所述第二感应线圈相连形成第一连接点，所述第一连接点连接所述比较放大器的输入端；
23.所述第一参考约瑟夫森结和所述第二参考约瑟夫森结相连形成第二连接点，所述第二连接点接地。
24.为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种约瑟夫森结测量方法，至少包括以下步骤：
25.基于约瑟夫森结测量系统进行测试实验并得到测试结果；所述测试实验通过控制励磁电流输出不同的输出电压；所述测试结果包括励磁电流、超导电流、输出电压和临界电流；
26.对测试结果进行处理得到样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系；
27.对测试结果进行处理得到励磁电流与超导电流之间的关系；
28.根据所述励磁电流与超导电流之间的关系和所述样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系得到样品约瑟夫森结的相位与超导电流之间的关系。
29.优选地，对测试结果进行处理得到样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系包括：
30.对测试结果的临界电流和励磁电流关系进行处理得到样品约瑟夫森结和励磁线圈之间的互感；
31.根据所述样品约瑟夫森结和励磁线圈之间的互感和约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系得到样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系。
32.优选地，对测试结果进行处理得到励磁电流与超导电流之间的关系包括：
33.根据测试结果得到输出电压与超导电流之间的关系；
34.根据测试结果得到输出电压与励磁电流之间的关系；
35.根据所述输出电压与超导电流之间的关系和所述输出电压与励磁电流之间的关系得到励磁电流与超导电流之间的关系。
36.优选地，根据所述测试结果还得到样品超导约瑟夫森结电压与电流之间的关系。
37.如上所述，本发明的约瑟夫森结测量系统及测量方法，具有以下有益效果：
38.本发明约瑟夫森结测量系统及测量方法中对于实现测量超导约瑟夫森结相位与电流之间的关系的过程中，相比现有测量方法，处理获得电流-相位关系趋势的同事，还可以获得确切的电流值和相位值以及原位得到关于结的电流-电压曲线表征；从而使获得关于约瑟夫森结的完整信息。
附图说明
39.图1显示为本发明实施例中约瑟夫森结测量系统的结构示意图。
40.图2显示为本发明实施例中约瑟夫森结测量方法的流程示意图。
41.图3显示为本发明实施例中测试系统集成电路板的示意图。
42.图4显示为本发明实施例中样品约瑟夫森结的电流-电压关系曲线示意图。
43.图5显示为本发明实施例中两个样品约瑟夫森结并联时的磁通调制曲线示意图。
44.图6显示为本发明实施例中输出电压与励磁电流之间的关系示意图。
45.图7显示为本发明实施例中样品约瑟夫森结的相位与电流关系示意图。
46.元件标号说明
[0047]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
样品超导环路
[0048]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
样品约瑟夫森结
[0049]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
超导环
[0050]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
超导量子干涉器环路
具体实施方式
[0051]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0052]
请参阅图1-7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0053]
本发明通过基于设计的样品超导环路能够准确的得到样品超导环路的超导电流，并且根据测量系统中励磁电流的调节控制能够得到样品约瑟夫森结的相位与励磁电流之
间的关系，进而通过测量系统中获取的输出电压最终能够准确得到样品约瑟夫森金的相位与超导电流之间的关系。基于上述技术构思，本发明提出一种约瑟夫森结测量系统及测量方法。
[0054]
系统实施例：
[0055]
为实现上述技术目的和技术构思，本发明提出一种约瑟夫森结测量系统，在本发明实施例中，约瑟夫森结测量系统的结构示意图如图1所示，约瑟夫森结测量系统包括：
[0056]
励磁线圈coil 1，所述励磁线圈coil 1接入励磁电流i
in
，根据所述励磁电流i
in
产生励磁磁通ф
in
；
[0057]
样品超导环路1，所述样品超导环路1包括超导环12和样品约瑟夫森结11，所述样品约瑟夫森结11串联在所述超导环12中；所述样品超导环路1根据所述励磁磁通ф
in
产生所述样品约瑟夫森结11两端之间的相位θ和样品超导环路1的超导电流is；
[0058]
超导探测器结构，所述超导探测器结构包括超导量子干涉器环路2(dc squid)，所述超导量子干涉器环路2探测得到根据所述超导电流is耦合至所述超导量子干涉器环路2中的超导磁通фs，所述超导探测器结构根据所述超导磁通фs输出得到输出电压v
out
；
[0059]
其中，基于所述励磁磁通ф
in
与励磁电流i
in
的关系和所述励磁磁通ф
in
与所述样品约瑟夫森结两端之间的相位θ的关系能够得到样品约瑟夫森结的相位θ与励磁电流i
in
的关系；
[0060]
根据所述输出电压v
out
、所述励磁电流i
in
、所述超导电流is和所述样品约瑟夫森结的相位θ与励磁电流i
in
的关系得到样品约瑟夫森结的相位θ与超导电流is之间的关系。
[0061]
本发明实施例中的样品约瑟夫森结11包括两个，两个样品约瑟夫森结串联在超导环中，且将超导环分成两个通过所述样品约瑟夫森结连接的两个超导体。为便于准确描述样品超导环路1的结构关系，将两个样品约瑟夫森结11分别定义为第一样品约瑟夫森结和第二样品约瑟夫森结；由于两个样品约瑟夫森结11串联在超导环12中，所以，将超导环12理解成被分成第一超导体和第二超导体，那么，第一超导体的两端分别连接第一样品约瑟夫森结的第一端和第二样品约瑟夫森结的第一端，第二超导体的两端分别连接第一样品约瑟夫森结的第二端和第二样品约瑟夫森结的第二端。
[0062]
本发明的超导环路设置有正电流测试端i+、负电流测试端i－、正电压测试端v+和负电压测试端v－；所述正电压测试端v+和所述正电流测试端i+连接其中一个超导体即第一超导体，所述负电压测试端v－和所述负电流测试端i－连接另一个超导体即第二超导体；其中，控制所述励磁电流得到电流测试端(i+、i－)的临界电流ic，根据临界电流ic与超导电流is之间的关系和所述励磁电流i
in
得到所述超导电流is。
[0063]
约瑟夫森结的相位与励磁电流之间的关系为：
[0064][0065]
其中，θ为样品约瑟夫森结的相位，ф0为磁通量子，m
in-s
为励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感，i
in
为励磁线圈coil 1的励磁电流。
[0066]
由于本发明实施例中，样品超导环路1与励磁线圈coil 1之间的互感未知，因此，需先确定励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感m
in-s
，才能准确的得到测试系统中样品约瑟夫森结的相位θ与励磁电流i
in
的关系。
[0067]
本发明实施例中，励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感m
in-s
的确定方式为：先基于约瑟夫森结测量系统进行有限次测试实验；具体控制不同的励磁电流使励磁磁通为常数ф0的倍数，通过电流测试端(i+、i－)得到超导电流is的不同临界电流ic，即控制不同的励磁电流i
in
使电流测试端(i+、i－)得到不同的临界电流ic，绘制得到励磁电流i
in
与临界电流ic之间的关系，励磁电流i
in
与临界电流ic之间的关系符合正弦关系(正弦关系中包含相位)，根据任一励磁电流i
in
和临界电流ic的大小，就能得到对应的相位θ，即得到该相位θ与励磁电流i
in
的大小，那么再根据约瑟夫森结的相位与励磁电流之间的关系就能确定励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感m
in-s
。
[0068]
根据确定的确定励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感m
in-s
和约瑟夫森结的相位与励磁电流之间的关系得到测试系统中确定样品约瑟夫森结的相位θ与励磁电流i
in
之间的关系。
[0069]
其中，临界电流ic就是超导电流is在临界状态下的电流，因此，本发明就是根据超导电流is在临界状态下的各临界电流ic与励磁电流i
in
确定样品约瑟夫森结的相位θ与励磁电流i
in
之间的关系。
[0070]
作为本发明的优选实施方式，对电流测试端(i+、i－)施加测试电流，那么通过电压测试端即可获取样品约瑟夫森结的电压，即得到约瑟夫森结的电流与电压关系(i～v)。
[0071]
本发明的所述超导探测器结构还包括比较放大器d、反馈电阻rf和反馈线圈coil 2；
[0072]
所述比较放大器d的输入端连接超导量子干涉器环路，所述比较放大器d根据所述超导量子干涉器环路的电流和偏置电流ib得到所述输出电压v
out
；
[0073]
所述反馈电阻rf的一端连接所述反馈线圈coil 2的一端，所述反馈线圈coil 2的另一端接地；
[0074]
所述比较放大器d的输出端和所述反馈电阻rf的另一端均连接所述超导探测器结构的输出端。
[0075]
本发明超导探测器结构的超导量子干涉器环路2首先感应样品超导环路的超导磁通фs，并在超导磁通фs的作用下产生电流，进而通过比较放大器d对超导量子干涉器环路的电流和偏置电流ib进行比较放大处理后得到输出电压v
out
；然后超导量子干涉器环路2同时感应由反馈线圈coil 2产生的反馈磁通фf，在反馈磁通фf的反馈调节下，超导量子干涉器环路2调整输出的电流并实现输出电压v
out
的动态调整输出以达到控制要求。
[0076]
在本发明实施例中，所述超导量子干涉器环路2包括第一支路和第二支路；
[0077]
所述第一支路包括串联的第一感应线圈和第一参考约瑟夫森结；
[0078]
所述第二支路包括串联的第二感应线圈和第二参考约瑟夫森结；
[0079]
所述第一感应线圈和所述第二感应线圈相连形成第一连接点，所述第一连接点连接所述比较放大器的输入端；
[0080]
所述第一参考约瑟夫森结和所述第二参考约瑟夫森结相连形成第二连接点，所述第二连接点接地。
[0081]
在本发明实施例中，第一参考约瑟夫森结和第二参考约瑟夫森结均与样品约瑟夫森结相同，即采用相同的工艺制造，以简化、减小整体测量系统中所用器件的制备工艺复杂度。
[0082]
方法实施例：
[0083]
为实现上述技术目的和技术构思，本发明提出一种约瑟夫森结测量方法，适用于上述约瑟夫森结测量系统，本发明约瑟夫森结测量方法的流程如图2所示，所示测量方法至少包括以下步骤：
[0084]
s1，基于约瑟夫森结测量系统进行测试实验并得到测试结果；所述测试实验通过控制励磁电流输出不同的输出电压；
[0085]
所述测试结果包括励磁电流、超导电流、输出电压和临界电流；
[0086]
如图3所示的测试电路板是在绝缘衬底上采用微纳加工手段将样品约瑟夫森结11串联至超导12中形成样品超导环路1，包括超导量子干涉器环路2(dc squid)的样品超导环路1与样品超导环路1、励磁线圈片上集成，方便进行测量。
[0087]
测试实验为：
[0088]
1、在励磁线圈coil 1上施加不同的励磁电流i
in
，调整产生不同的励磁磁场ф
in
；
[0089]
2、调节第一样品约瑟夫森结和第二样品约瑟夫森结对称，具体是当超导量子干涉器环路2的磁通调制曲线完全对称时，可以认为第一样品约瑟夫森结和第二样品约瑟夫森结对称，因此，本发明通过磁通调制曲线的对称性实现调节两个样品约瑟夫森结对称；
[0090]
3、在不同励磁电流i
in
的作用下改变样品超导环路1的磁场，并获取样品超导环路1的超导电流is和样品约瑟夫森结的临界电流ic；
[0091]
那么在磁通调制曲线的ic最大值，测到的squid的临界电流ic为单个结临界电流i
c-junction
的两倍。在测量电流-相位关系时，环路中仅存因为外加磁场而产生的超导电流is时，双个样品约瑟夫森结是被串联入超导环中，这时候流过每个样品约瑟夫森结的电流是一样大小的，每个样品约瑟夫森结两端的相位差也是相等的。
[0092]
具体的，当激励电流i
in
变化使得外部磁通фe＝n
×
ф0时，样品超导环路1的临界电流ic达到最大值ic-max；当激励电流iin变化使得外部磁通时，样品超导环路1的临界电流ic达到最小值ic-min，ф0表示磁通量子，且为固定常数，n为自然数；分别统计不同的励磁电流i
in
和对应的临界电流ic，从而得到如图5所示的临界电流和励磁电流的关系曲线示意图；在日本发那么实施例，调制深度为25.7％，获得双结并联的临界电流ic值，通过激励线圈i
in
对样品环施加磁通获得磁通调制曲线，得到ic最大值为14.67μa，单个样品约瑟夫森结的临界电流ic/2＝7.335μa,
[0093]
4、通过调整反馈线圈coil 2和超导量子干涉器环路2的对称性，可以将反馈线圈coil 2对超导量子干涉器环路2的影响降到零，从而使超导量子干涉器环路2感应的就是样品超导环路1的超导电流产生的超导磁通，因此可以准确的得到不同励磁电流i
in
和对应的不同输出电压v
out
的大小。
[0094]
另外，测试实验还可以通过样品超导环路1设置的电流测试端(i+、i－)和电压测试端(v+、v－)可以直接测量样品约瑟夫森结的电流与对应的电压、临界电流与对应的励磁磁通，从而得到样品约瑟夫森结的电流与电压关系(i-v)如图4所示、临界电流与励磁磁通关系(ic-ф
in
)。
[0095]
s2，对测试结果进行处理得到样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系；
[0096]
s21，对测试结果的临界电流和励磁电流关系进行处理得到样品约瑟夫森结和励
磁线圈之间的互感；
[0097]
对测试结果中的励磁电流i
in
和对应的临界电流ic进行处理，从而得到如图5所示的临界电流和励磁电流的关系曲线示意图。根据关系曲线示意图中任一励磁电流i
in
和临界电流ic的大小，就能得到对应的相位θ，即得到该相位θ与励磁电流i
in
的大小，那么再根据约瑟夫森结的相位与励磁电流之间的关系就能确定励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感m
in-s
。在本发明实施例中，确定励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感m
in-s
为2.25ph。
[0098]
约瑟夫森结的相位与励磁电流之间的关系为：
[0099][0100]
其中，θ为样品约瑟夫森结的相位，ф0为磁通量子，m
in-s
为励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感，i
in
为励磁线圈coil 1的励磁电流。
[0101]
s22，根据所述样品约瑟夫森结和励磁线圈之间的互感和约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系得到样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系。
[0102]
将步骤s21中得到的励磁线圈coil 1与样品超导环路1之间的互感m
in-s
带入至约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系后就能够得到本发明测试系统中样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系，即θ＝k0
×iin
。
[0103]
s3，对测试结果进行处理得到励磁电流与超导电流之间的关系；
[0104]
根据测试结果中的励磁电流、超导电流、输出电压和所述样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系得到样品约瑟夫森结的相位与超导电流关系。
[0105]
s31，根据测试结果得到输出电压v
out
与超导电流is之间的关系；
[0106]
首先，将测试结果中输出电压的大小和超导电流的大小带入至下述公式中得到的值；
[0107][0108]
其中，φf为反馈磁通，mf为反馈线圈与dc squid的互感，rf为反馈电阻，ms为超导样品环路与dc squid的互感。
[0109]
然后，将的值带入至该公式中即可得到测试系统中输出电压v
out
与超导电流is之间的关系；可以看作v
out
＝k1
×is
。
[0110]
s32，根据测试结果得到输出电压v
out
与励磁电流i
in
之间的关系；
[0111]
对测试结果中的输出电压的大小和励磁电流的大小进行处理，得到输出电压v
out
与励磁电流i
in
之间的关系如图6所示；可以看作v
out
＝k2
×iin
[0112]
s33，根据所述输出电压v
out
与超导电流i
μ
之间的关系和所述输出电压v
out
与励磁电流i
in
之间的关系得到励磁电流i
in
与超导电流i
μ
之间的关系；
[0113]
具体的，根据v
out
＝k1
×is
和v
out
＝k2
×iin
得到i
in
＝k3
×is
。即得到励磁电流i
in
与所述超导电流is之间。
[0114]
s4，根据所述励磁电流与超导电流之间的关系和所述样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系得到样品约瑟夫森结的相位与超导电流之间的关系。
[0115]
根据上述可知，样品约瑟夫森结的相位与励磁电流的关系为θ＝k0
×iin
；励磁电流与超导电流之间的关系为i
in
＝k3
×is
；对两个关系进行推导可以得到θ＝k4
×is
。，即准确的得到测试系统中样品约瑟夫森结的相位与超导电流之间的关系如图7所示。
[0116]
作为本发明的优选实施方式，因为超导样品环路设置有电流测试端和电压测试端，还可以测量得到超导样品环路的电流和电压，根据电流和电压能够准确得出样品超导约瑟夫森结电压与电流之间的关系，实现对样品约瑟夫森结信息更全面的了解和掌握。
[0117]
综上所述，本发明约瑟夫森结测量系统及测量方法中对于实现测量超导约瑟夫森结相位与电流之间的关系的过程中，相比现有测量方法，处理获得电流-相位关系趋势的同事，还可以获得确切的电流值和相位值以及原位得到关于结的电流-电压曲线表征；从而使获得关于约瑟夫森结的完整信息。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0118]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。