KR102520426B1

KR102520426B1 - 초전도 양자 간섭 장치

Info

Publication number: KR102520426B1
Application number: KR1020207030975A
Authority: KR
Inventors: 엠마 미첼; 크리스 루이스
Original assignee: 커먼웰쓰 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 오가니제이션
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2023-04-11
Also published as: US11175355B2; IL277537B; EP3756023A1; AU2019240774B2; CA3095208A1; US20210018575A1; AU2019240774A1; SG11202009421UA; KR20210003121A; IL277537A; WO2019183687A1; JP7290660B2; JP2021519430A; EP3756023A4

Abstract

본 개시는 SQUID 어레이들 및 SQUIF들과 같은, 초전도 양자 간섭 장치들에 관한 것이다. 초전도 양자 간섭 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 포함한다. 어레이는 다수의 열들을 포함하고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고, 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프들의 수는 장치의 성능을 개선시키기 위해 2개 초과 및 20개 미만이다. 루프들의 수를 20 아래로 병렬로 유지시키는 것이 장치의 성능을 개선시킨다는 것이 장점이다. 이것은 더 큰 수의 병렬 루프들이 성능을 증가시킬 것이라고 통상적으로 가정되는 기존 지식과 반대이다.

Description

초전도 양자 간섭 장치

관련 출원들에 대한 교차 참조

본 출원은 2018년 3월 29일자로 출원된 호주 가특허 출원 번호 제2018901053호로부터의 우선권을 주장하며, 그 내용들은 전체적으로 참조로 본원에 통합된다.

본 개시는 고온 초전도 재료를 사용하여 제조되는 다수(1,000개 초과)의 초전도 양자 간섭 디바이스들(Superconducting Quantum Interference Devices; SQUIDs)의 어레이들인 초전도 양자 간섭 필터들(Superconducting Quantum Interference Filters; SQUIFs)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 초전도 양자 간섭 장치들 및 이들 장치들의 감도와 관련되는 그 개선들에 관한 것이다.

초전도 양자 간섭 디바이스(Superconducting Quantum Interference Device; SQUID)는 매우 민감한 자력계이고 일반적으로 보통 조셉슨 접합들(Josephson Junctions)로서 구현되는, 1개 또는 2개의 약한 링크들을 갖는 초전도 재료의 루프를 포함한다. SQUID는 외부 자기 플럭스(magnetic flux)에 의존하는 전압을 생성하며, 이는 SQUID가 플럭스 대 전압(flux-to-voltage) 변환기로서 효과적으로 작용한다는 것을 의미한다. 전압은 자기 플럭스의 측정을 획득하기 위해 상대적으로 쉽게 측정될 수 있다.

SQUID들이 매우 민감하므로, 그들은 예를 들어, 뇌, 위 및 심장에 의해 생성되는 자기 필드와 같은, 약한 자기 필드들을 측정하기 위해 사용된다. SQUID들은 또한 이들 금속 퇴적물들이 SQUID들을 사용하여 감지될 수 있는,지구의 자기 필드에서의 변형을 야기하기 때문에 철광석 퇴적물들을 발견하기 위해 사용될 수 있다.

자력계의 하나의 품질 측정은 플럭스 과전압(over voltage) 곡선의 기울기(slope)이며, 이는 또한 감도(sensitivity)로서 언급된다. 전압이 특정 플럭스 변화에 대해 더 많이 변할수록, 자력계는 더 많이 민감해진다. SQUID는 이미 상대적으로 급격한 기울기 및 따라서 양호한 감도를 제공하지만, 이것은 함께 다수의 SQUID들의 사용에 의해 더 개선될 수 있다. 상이한 루프 영역들을 갖는, 1000개 초과와 같은, 다수의 SQUID들의 배열은 일반적으로 개별 SQUID 응답들이 광학 회절 격자를 사용하는 광학 간섭과 유사하게 건설적으로 그리고 파괴적으로 함께 합산하기 때문에 초전도 양자 간섭 필터들(Superconducting Quantum Interference Filters; SQUIFs)로서 언급된다. 그러나, 일부 응용들의 경우, 가장 큰 SQUIF들도 충분히 민감하지 않고 SQUIF 디바이스들의 성능을 더 개선시킬 필요가 있다.

이들 디바이스들의 제조는 국제 특허 출원 PCT/AU2013/001074 및/또는 호주 특허 출원 AU2018903963에서 설명되는 기술들을 이용할 수 있으며, 이는 참조로 본원에 둘 다 통합된다.

특허 명세서에 포함된 문서들, 행위들(acts), 재료들, 디바이스들, 물품들 등등의 임의의 논의는 이들 사항들 중 임의의 또는 전부가 종래 기술 기반의 일부를 형성하거나 그것이 첨부된 청구항들 각각의 우선일 전에 존재했던 것처럼 본 개시와 관련된 분야에서 통상의 일반 지식이었다는 인정(admission)으로서 해석되지 않아야 한다.

본 명세서 도처에 걸쳐서, 단어 "포함하다", 또는 변형들 예컨대 "포함하다" 또는 "포함하는"은 명시된 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹의 포함을 암시하지만, 임의의 다른 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소들, 정수들 또는 단계들의 그룹의 배제를 암시하지 않는 것으로 이해될 것이다.

본 명세서 도체에서, 용어들 '초전도 재료', '초전도 디바이스' 등은, 특정 상태 및 특정 온도에서, 초전도성을 나타낼 수 있는 재료 또는 디바이스를 언급하기 위해 사용된다. 그러한 용어들의 사용은 재료 또는 디바이스가 모든 상태들 또는 모든 온도들에서 초전도성을 나타낸다는 것을 암시하지 않는다.

초전도 양자 간섭 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 포함한다. 어레이는 다수의 열들(columns)을 포함하고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들(rows)을 포함하고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이다.

그것은 루프들의 수를 20개 아래로 병렬로 유지하는 것이 장치의 성능을 개선시킨다는 것이 장점이다. 이것은 더 많은 수의 병렬 루프들이 성능을 증가시킬 것이라는 통상적으로 가정되는 기존의 지식과 상반된다.

각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 10개 미만일 수 있고 8개 미만일 수 있고 7개 미만일 수 있다.

장치는 다음 중 하나 이상으로부터 선택되는 성능을 개선시킬 수 있다:

감도;

선형성; 및

동적 범위.

루프들 각각은 고온 초전도 재료일 수 있다. 초전도의 맥락에서 "고온"은 재료가 초전도가 보통 30 K(-243.2℃) 아래의 전이 온도들(transition temperatures)(그들이 초전도성인 온도들)을 갖고 초전도성을 달성하기 위해 액체 헬륨을 사용하여 냉각되어야만 하는 "일반적인" 또는 금속 초전도체들보다 더 높은 온도들에서 발생하는 것과 같은 것을 의미한다. 대조적으로, 고온 초전도 재료들은 138K 만큼 높은 전이 온도들을 갖는다. 예를 들어, "고온"의 하한은 77K에서 고려될 수 있으며, 여기서 액체 질소로의 냉각이 실현 가능하다. 하나의 그러한 재료는 90K의 전이 온도를 갖는 이트륨 바륨 구리 산화물(yttrium barium copper oxide; YBCO)이다. 그것은 고온 초전도 재료가 덜 복잡한 냉각 메커니즘들을 요구하고, 더 적은 전력을 소비하고 더 적은 볼륨을 점유하는 것이 장점이다. 그러나, 제조는 종종 초전도 재료의 에피텍셜 성장을 수반하고, 에피텍셜 성장을 위한 고품질의 더 큰 기판의 가용성이 문제가 될 수 있다. 그 결과, 고온 초전도 재료를 사용하면 이것이 전체 칩 사이즈를 증가시키기 때문에 감도를 증가시키기 위해 루프 사이즈를 증가시키는 것이 더욱 어렵다. 따라서, 위의 장치는 그것이 루프들의 수를 증가시킴으로써 감도의 증가를 허용하지만 칩 사이즈에서 상대적으로 작은 증가만을 갖는 장점을 가지며, 이는 특히 고온 초전도 재료들에서 유리하다.

각각의 루프는 2개의 스텝 에지 접합들(junctions)을 포함할 수 있다. 병렬로 연결될 수 있는 2개의 인접한 루프들은 공통으로 1개의 접합을 가질 수 있다.

장치는 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference 필터; SQUIF)일 수 있다. 루프들은 어레이에 걸쳐 변하는 루프 영역들을 가질 수 있다.

장치는 초전도 양자 간섭 디바이스(superconducting quantum interference device; SQUID) 어레이일 수 있다. 루프들은 각각의 행에서 병렬로 연결될 수 있고 동일 루프 영역들(areas)을 가질 수 있다.

열들은 다수의 세트들의 열들을 포함할 수 있고 각각의 세트의 열들은 직렬로 연결될 수 있다. 제1 세트의 직렬-연결된 열들은 제2 세트의 직렬-연결된 열들에 병렬로 연결될 수 있다.

열들은 다수의 세트들의 열들을 포함할 수 있고 각각의 세트의 열들은 병렬로 연결될 수 있다. 제1 세트의 병렬-연결된 열들은 제2 세트의 병렬-연결된 열들에 직렬로 연결될 수 있다.

어레이의 임피던스는 1 ㏀ 이하일 수 있다.

어레이는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함할 수 있다.

장치는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함할 수 있고, 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 20개 미만일 수 있고 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프들의 수, 직렬로 연결되는 열들의 수 및 병렬로 연결되는 열들의 수는 어레이의 임피던스가 예를 들어, 증폭기에 전달되는 전력을 최적화하기 위해 1 kΩ 이하 및 바람직하게는 50　Ω과 동일한 것과 같도록 될 수 있다.

어레이는 병렬로 연결되는 적어도 2개의 열들의 수를 포함할 수 있고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함할 수 있고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함할 수 있고, 각각의 행에 병렬로 연결되는 루프의 수는 병렬로 연결되는 열들의 수의 2배 초과 및 10배 미만일 수 있다.

장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 적어도 1,000,000개의 루프들의 어레이를 포함할 수 있고, 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 100개의 열들의 수를 포함할 수 있고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함할 수 있고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함할 수 있다.

루프들은 중심에서 바이어스되거나 균일하게 바이어스될 수 있다.

어레이는 칩 상에 어레이를 형성함으로써 반도체 칩에 통합될 수 있다.

비-일시적, 컴퓨터 판독가능 매체는 그 상에 저장되는 컴퓨터 코드를 갖는다. 컴퓨터 코드는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 양자 간섭 장치를 정의하며, 여기서

어레이는 다수의 열들을 포함하고,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,

다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,

각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이다.

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 양자 간섭 장치를 정의하는 포토 마스크 또는 마스크들의 세트에 있어서, 여기서

어레이는 다수의 열들을 포함하고,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 전자 칩에 있어서, 여기서

어레이는 다수의 열들을 포함하고,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,

초전도 양자 간섭 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 포함한다. 어레이는 다수의 열들을 포함하고, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고, 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이고 어레이의 임피던스는 1 ㏀ 이하이다.

자기 플럭스를 측정하는 방법은:

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는 루프들의 어레이를 자기 플럭스에 노출시키는 단계;

자기 플럭스에 대한 어레이의 전기적 응답을 측정하는 단계; 및

측정에 기초하여 자기 플럭스를 나타내는 값을 결정하는 단계를 포함하며,

여기서

어레이는 다수의 열들을 포함하고,

열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,

이제, 일 예가 다음 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 예시적 SQUID의 사진이다.
도 2는 2차원(2D) SQUIF 어레이의 사진이다.
도 3은 SQUID의 전압 응답을 예시한다.
도 4는 SQUIF 어레이의 전압 응답을 예시한다.
도 5는 예시적 칩 설계를 예시한다.
도 6은 미앤더 구조(meander structure)의 보다 상세화된 사진이다.
도 7은 도 6의 직사각형 내의 구조를 예시한다.
도 8은 직렬의 접합의 수로 정규화되는 피크 투 피크 전압을 예시한다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 증가한 병렬의 루프들의 수들을 갖는 3개의 SQUIF 어레이들의 부분들의 사진들이다.
도 10은 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference filter; SQUIF)의 다른 예를 예시한다.
도 11은 2개의 접힌 병렬 연결 열들을 갖는 추가 예를 예시한다.
도 12는 2개의 접힌 병렬 연결 열들을 갖는 추가 예를 예시한다.
도 13은 4개의 4-열 블록들의 추가적인 예를 예시한다.
도 14는 4 ㎛ x 8 ㎛로 주어지는 YBCO 스텝-에지 접합 내부 루프 영역들을 사용하여 1D 병렬 어레이들의 섹션들의 사진들을 도시한다.
도 15a 및 도 15b는 (a) N _p = 4, 6, 11, 21 및 31 접합들을 병렬로 그리고 (b) N _p = 8, 16, 51 및 81 접합들을 병렬로 갖는 어레이들에 대해 1D 동일 루프 영역 어레이들에 대한 전압-자기 필드 응답을 예시한다.
도 16은 병렬의 접합들의 수인 N _p 의 함수로서 (모두 동일한 SQUID 홀 영역을 갖는) 2개의 세트들의 1D SQUID 어레이들에 대해 측정되는 최대 감도(dV/dB)를 예시한다. 사각형 데이터 및 원형 데이터는 N _p 의 상이한 값들을 커버하는 상이한 세트들의 어레이들을 나타낸다.
도 17a 및 도 17b는 수직 인가된 자기 필드에서 병렬로 N _p 접합들 및 N _p-1 루프들을 갖는 1D 병렬 SQIF 어레이들의 개략도를 예시한다. 십자가들은 위상

를 갖는, 조셉슨 접합들을 나타낸다. j번째 루프 주위의 전류들은 수평 성분(J _j ) 및 수직 성분(I _j )으로 분할되며, 후자는 접합들을 통해 흐른다. 2개의 상이한 바이어싱 방식들(schemes)이 연구되며 여기서 바이어스 전류는 도 23a에서 하나의 리드(lead)를 통해 어레이 안과 밖으로 중앙 바이어스되거나, 도 23b의 모든 루프들을 통해 균일하게 바이어스된다.
도 18은 N _p = 4 접합들 및 어레이의 중앙으로 주입되는 1.1x4I_c의바이어스 전류를 갖는 β _L = 0.3, 0.7 및 1.0의 3개의 값들을 갖는 1D 어레이들에 대한 계산된

응답을 계산한다. 모든 접합 파라미터들은 동일한 것으로 가정된다(

=

= 0).
도 19a 및 도 19b는 1.1x4I _c 에서 바이어스 되고 다음의 파라미터 스프레드들: (a)

=0.3의 I _c 스프레드 및 (b)

=0.3의 R 스프레드를 갖는, β _L = 0.7 및 N _p =4 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한

응답을 예시한다.
도 20a는 비 루프 영역 스프레드

=0를 갖는 어레이 및 루프 영역에서

스프레드를 갖는 어레이를 비교하는 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스되는, N _p = 16 접합들 및 β _L = 0.3을 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. 도 20b는 N _p =16 접합들을 갖는 동일 루프 영역 어레이에 대한 실험적 V-B 데이터를 예시한다.
도 21a 및 도 21b는 β _L = 0.3을 갖는 N _p = 16 접합들, 및 (

=0,

=0을 갖는 갖는) 루프 영역에서

=0.3의 스프레드를 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. (a) 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스 되고 (b) (a)로부터 균일하게 바이어스된 케이스를 오버레이하는 1.01N _p I _c 에서 중앙 바이어스되는 어레이들의 비교가 도시된다.
도 22는 N _p = 16 접합들 및 0.005 내지 1.5의 평균 β_L 값들의 범위를 갖는 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스되는 (

=0,

=0을 갖는) 루프 영역에서

=0.3의 스프레드를 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다.
도 23a 및 도 23b는

,

에서 비 스프레드를 갖고 증가하는 N _p 및 β_L=0.1, 0.3 및 0.7의 3개의 값들을 갖는 1D 동일 루프 영역 SQIF 어레이들에 대한 최대 정규화된 감도

의 이론적인 값들을 예시한다. 어레이들은 (a) 1.1I _c 로 균일하게 또는 (b) 1.1N _p I _c 로 중앙 바이어스된다.
도 24a 및 도 24b는

=0.3을 갖고 (a)

=0.3인 반면

=0 및 (b)

= 0.3인 반면

=0.3(대시 곡선들)의 스프레드들을 갖는 4개의 무작위 세트들의 접합 파라미터들을 이용하는 N _p =16 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. (a) 및 (b)의 실선들은

=

=0일 때 계산들을 나타낸다. 모든 1D 어레이들은 β_L = 1.5를 갖고 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스된다.
도 25a 및 도 25b는

=0.3을 갖고 (a)

=0.3인 반면

=0 및 (b)

=0.3인 반면

=0(대시 곡선들)의 스프레드들을 갖는 4개의 무작위 세트들의 접합 파라미터들을 사용하는 N _p =16 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한 정규화된

응답을 예시한다. (a) 및 (b)의 실선들은

=

=0일 때 계산들을 나타낸다. 모든 1D 어레이들은 β_L= 0.1을 갖고 1.01I _c 에서 균일하게 바이어스된다.
도 26은 자기 플럭스를 측정하는 방법을 예시한다.

위에 언급된 바와 같이, SQUIF 디바이스에서 더 큰 수의 루프들(SQUDs)이 일반적으로 그러한 디바이스의 감도를 개선시킨다. 그러나, 감도 플래토들(plateaus) 및 루프들의 추가 증가 수는 감도의 기대된 향상을 제공하지 않는다는 것이 발견되었다. 이것은 통념(conventional wisdom)을 더 사용하여 감도를 개선시키는 것이 어렵다는 것을 의미한다.

유사한 고려사항들이 선형성(linearity)에 적용되며, 여기서 더 큰 수의 루프들이 동작 영역 내에서 응답 곡선의 선형성을 개선시킨다. 이것은 기존 설계들의 감도를 더 개선하도록 요구되지 않지만 선형성 및/또는 동적 범위가 개선될 것이라는 의미에서 루프들의 수를 증가시키는 것이 주요 목적일 수 있다. 이것은 임의의 비-선형성이 일반적으로 추가적인 주파수들의 생성을 포함하는, 왜곡을 초래하기 때문에 RF 신호들과 같은 시변(time-varying) 신호들에 대해 특히 중요하다. 그 다음, 이들 추가적인 주파수들은 왜곡된 신호가 나이키스트 조건(Nyquist condition)을 위반할 수 있음에 따라 샘플링 및/또는 다운-믹싱 동안 페이로드(payload) 주파수 상으로 매핑될 수 있다. 따라서, 센서의 개선된 선형성은 신호 출력의 품질을 상당히 개선시킬 것이며, 즉, 신호에서 노이즈를 감소시킬 것이다. 다른 예들에서, 동적 범위가 증가되며 이는 앰프(amp)에 전달되는 전력을 증가시키지만 어레이는 전력 손실들을 최소화하기 위해 소스 임피던스와 매칭되어야 한다. 여기서, 동적 범위는 N에 비례할 수 있는 피크 투 피크 전압에 관련된다.

또한, 개선된 선형성은 또한 응답 곡선이 큰 동작 범위에 걸쳐 충분히 선형적이라는 것을 의미한다. 다시 말해서, 신호는 곡선 상의 최적 포인트 주위에서 멀리 이동할 수 있고 여전히 직선 영역에 있을 수 있다. 선형성의 개선이 없으면, 그러한 신호는 '클리핑된(clipped)' 것으로서 간주될 필요가 있을 것이다. 그러나, 개선된 선형성을 가지면, 이러한 신호는 정확하게 캡처될 수 있으며, 이는 개선된 선형성이 센서의 동적 범위를 효과적으로 증가시킨다는 것을 의미한다.

동적 범위는 SQUIF 응답에서 안티-피크(anti-peak)의 피크 투 피크 전압으로서 정의될 수 있다는 점이 주목된다. 동적 범위를 최대화하는 것은 연결된 회로, 예컨대 증폭기 또는 다른 50 옴 전자장치에 전달되는 전력을 최대화하는 것을 포함할 수 있으며, 이는 루프들의 수 N을 최대화하는 것을 의미한다. 그러나, 그것은 또한 합리적인 범위(예컨대 50 옴) 내에서 소스 임피던스를 매칭시키기 위해 어레이 임피던스를 최적화하는 것이 중요하다.

본 개시는 병렬로 서로 연결되는 루프들의 수를 감소시킴으로써 감도, 선형성 및/또는 동적 범위에서의 개선을 제공한다. 이러한 맥락에서, 루프들의 병렬 연결은 그들이 동일한 금속화 층을 공유하고 동일한 행 내의 루프들에 걸친 전압이 동일하다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 전하(electrical charge)는 병렬 연결된 루프들에 걸쳐 자유롭게 흐를 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 개시는 병렬 연결된 루프들의 수를 감소시키는 반면, 동시에, 루프들의 큰 총 수를 유지시키는 SQUIF 구조를 제공한다. 다수의 루프들의 직렬 연결은 전체 임피던스가 대부분의 전자장치 인터페이스들을 처리하기에 너무 높기 때문에 사용하기 어렵다는 점이 주목된다.

SQUIF의 설명

dc 초전도 양자 간섭 디바이스 또는 SQUID는 초전도 재료에서 약한 링크들로서 생각될 수 있는, 2개의 조셉슨 접합들(Josephson junctions)에 의해 단속되는 초전도 재료의 루프로 구성된다. SQUID들은 자기 필드들에 대한 코사인형 전압 응답을 갖고 통상적으로 플럭스 양자의 100만분의 1 미만의 매우 높은 감도들을 갖는 플럭스 대 전압 변압기들로서 사용되며,

이다. SQUID 응답의 피크 투 피크 전압은 루프 인덕턴스, L 및 임계 전류, I _c 를 갖는 단일 SQUID들에 대해 SQUID 인덕턴스 인자(factor),

일 때 최적화될 수 있다. 일부 예들에서 인덕턴스 인자 β _L 은 0.5 미만이다. SQUID 전압 응답의 주기성은 SQUID 루프 영역에 반비례한다. 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 dc SQUID 루프들의 1차원 또는 2차원 어레이들은 단일 SQUID들의 그것과 비교하여 주기적인 전압-자기 필드 출력 및 노이즈 응답을 개선하기 위해 사용될 수 있다.

도 1은 절연 기판(101), YBCO와 같은, 고온 초전도 재료의 층(102)을포함하는 SQUID(100)를 예시한다. 초전도 층(102) 내의 홀(103)은 루프(104)를 정의한다. 스텝 에지(105)는 루프(104)에 걸쳐 연장되고 그것에 의해 제1 약한 링크(106) 및 제2 약한 링크(107)를 정의한다. 약한 링크들은 또한 본원에서 접합들 또는 조셉슨 접합들로서 언급되고 이들 용어들은 동의어로 사용된다. 조셉슨 접합들은 스텝-에지 접합들로서 또는 다른 기술들을 사용하여 제작될 수 있다.

도 2는 예시적 홀(203)과 같은 다수의 홀들이 다수의 루프들을 정의하기 위해 제작되는, YBCO와 같은, 초전도 층(202)을 또한 포함하는 2차원(2D) SQUIF 어레이(200)(단순히 "SQUIF" 또는 "SQIF")를 예시한다. 스텝 에지(205)는 각각의 루프에서 2개의 접합들을 정의하기 위해 다수의 루프들에 걸쳐 연장된다. 인접한 루프들이 공통 접합을 공유하므로, 접합들의 수는 행 당 루프들의 수보다 1개 더 많다. 다른 예들에서, 각각의 접합은 그 자체의 스텝 에지를 갖고 그들은 일직선을 이루지 않을 수 있다. 도 2에서, 수직으로 정렬되고 제1 행(206)행을 형성하는 다수의 루프들이 있다. 또한, 제2 행(207), 제3 행(208) 및 제4 행(209)이 있다. 행들은 금속 또는 초전도 바들(210, 211 및 212)에 의해 서로 연결된다. 이것은 도 2에서 각각의 행에서 병렬로 연결되는 35개의 루프들을 갖는 직렬의 4개의 행들이 있다는 것을 의미하며, 따라서 Ns=4 및 Np=35이다.

개별적인 SQUID 루프들의 영역들이 전체적으로 변하는 어레이들은 SQUIF들(superconducting quantum interference filters)로서 지칭된다. SQUIF들의 경우, 자기 필드의 함수로서의 전압 응답은 광학 간섭 프로세스들과 유사한, 상이한 영역들의 모든 SQUID 루프들로부터의 신호들의 구조상의 간섭으로 인해 비-제로 필드들에서 더 약한, 비주기적인 전압 진동을 갖는 제로 필드에서의 급격한 안티-피크(anti-peak)에 의해 지배된다. SQUIF 어레이들은 원래 안티-피크가 제로 자기 필드에 위치되기 때문에 절대 자기 필드 검출을 위해 개발된다.

도 3은 응답의 주기적 성질을 도시하는 SQUID의 전압 응답을 예시한다. 대조적으로, 도 4는 20,000개의 접합들을 갖는 SQUIF 어레이의 전압 응답을 예시한다. 중요하게는, 0　uT에서 깊은 안티-피크(401)가 있다. 목적은 응답이 선형에 가장 가깝고 최대로 급격한 곳에 동작 포인트(402)를 유지시키는 것이다. 일부 경우들에서, 이러한 포인트는 안티-피크의 에지의 중심에 가까이 있다. 이것은 자력계를 자기 플럭스의 작은 변형들에 대해 고도로 민감하게 만든다.

SQUIF 어레이는 20,000개를 초과하는 총 접합 수 N 을 가질 수 있다. 이것은 본원에 참조로 통합되는 WO2004/015788 및 WO2000/016414에서 설명되는 YBCO 스텝-에지 접합 기술을 사용하여 제작될 수 있으며, 이는 접합들을 기판 상의 거의 모든 곳에 배치하는 것을 허용하고 직렬 및 병렬 각각의 조셉슨 접합들의 수인 총 접합 수 N= N _s x N _p 을 갖는 2D 설계들을 이용한다.

조셉슨 접합들은 기판에서 스텝 에지에 걸쳐 초전도 재료를 형성함으로써 구현될 수 있다. 특히, 제조 프로세스는 MgO 또는 다른 재료들과 같은, 기판 상에 스텝 에지를 생성하는 단계를 수반한다. YBCO 또는 다른 것들과 같은 결정성 초전도 재료가 기판 상에서 성장될 때, 그레인 경계 장벽(grain boundary barrier)이 초전도 재료에 형성되며 여기서 에지는 기판에 제작되어 있다. 이러한 그레인 경계 장벽은 조셉슨 접합을 형성하는 약한 링크로서 작용한다.

어레이의 임피던스, Z 는 N _s /N _p 로서 스케일링되고 따라서 어레이 기하구조(geometry)는 단일 접합 정상 저항(normal resistance)이 어레이에 걸쳐 인지할 수 있게 변하지 않으면, 어레이의 임피던스를 미리결정된 값에 매칭시키기 위해 사용될 수 있다.

도 5는 위의 설명에 따라 제조되고 예시적 패드(501)와 같은 다수의 연결 패드들, 및 병렬 SQUID 루프들의 직렬 연결된 행들의 미앤더 구조(meander structure), 즉, 도 2에 도시된 구조의 반복을 포함하는 예시적 칩 설계를 예시한다. 각각의 수직 열은 또한 블록으로서 언급되고 이러한 예에서 블록 당 약1000개의 접합을 갖는 직렬로 연결되는 20개의 블록들(Nb~20)이 있다. 블록들은 어레이들의 "u" 및 "n" 형상 커넥터 상단 및 하단과 미앤더 라인을 통해 직렬로 연결된다. 리드들은 블록들 자체 또는 직렬의 수 개의 블록들을 탐침할 수 있다. 전체 어레이는 시작과 종료 사이에서 측정된다. 감도는 직렬의 수와 함께 증가하지만 임피던스가 또한 증가한다는 것이 관찰되었다.

도 6은 미앤더 구조의 보다 상세화된 사진이고 직사각형(601)은 다음 설명을 위해 표시된다.

도 7은 루프들을 가로지르는 스텝 에지(703)에 의해 형성되는, 접합(702)과 같은, 접합들을 포함하는 루프들을 정의하는 홀(701)과 같은, 홀들을 포함하는 도 6의 직사각형(601) 내의 구조를 예시한다. 이러한 예에서, 루프들의 수는 7개이고 루프 영역들은 행에 걸쳐 변한다.

도 8은 직렬의 접합의 수로 정규화되는 피크 투 피크 전압을 예시한다. 이것은 감도가 병렬 루프들의 수의 감소와 함께 점진적으로 증가한다는 것을 도시한다.

SQUIF 성능의 예측들

도 4를 다시 참조하면, 관심 파라미터들은 피크 투 피크 전압(ΔV)(403), 안티-피크의 감도 또는 최대 기울기(V _B = dV/dB)(미도시), 안티-피크 폭(ΔB _ext)(404), 및 비-제로 필드에서 작은-진폭 진동들의 범위(δV )(405)를 포함한다. SQUIF들의 전압 노이즈(S _V ) 및 자기 필드 노이즈(S _B )가 또한 측정될 수 있다.

양호한 SQUIF 응답들은 부정합(incommensurate) 루프 사이즈들에 의해 달성될 수 있으며, 여기서 모든 루프는 상이한 영역이고 기생 자기 플럭스를 회피한다. 추가적으로, 다음과 같은 파라미터들이 식별되었다[V. Schultze, R. IJsselsteijn and H-G Meyer, Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) S411-S415를 참조하며, 이는 참조로 본원에 통합된다]::

이것은 어레이들로부터 출력되는 전압은 직렬의 조셉슨 접합들의 수인 N _s 로 스케일링될 것으로 예상되는 반면 안티-피크 폭은 증가한 병렬의 루프들의 수인 N _p 와 함께 감소할 것으로 예상된다는 것을 의미한다. 따라서, 루프들의 총수 N이 증가함에 따라, 감도(dV/dB)는 또한 비례적으로 증가해야 한다.

상이한 종횡비들을 갖는 2D SQUIF 어레이들의 특성

연구는 각각에서 1,000개의 접합들의 20개의 블록들로 구성되는 어레이(N = 20,000)에서 접합들의 동일한 총 수를 갖는 2D SQUIF 어레이들 상에서 수행되었다. 이러한 어레이들의 세트는 병렬 및 직렬의 접합들의 수를 변경시키지만 동일한 N을 유지시키는 효과를 본다.

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 증가한 병렬 루프들의 수들을 갖는 3개의 SQUIF 어레이들의 부분들의 사진들이며; N _p = 14(도 9a), 35(도 9b) 및 50(도 9c)이다. N _p 가 증가함에 따라, N _s 는 전체 N 을 유사하게 유지하기 위해 감소되었다. 결과들은 더 큰 안티-피크가 Np가 더 작을 때 발생한다는 것을 나타낸다.

이러한 세트의 추가적인 어레이들로부터의 유사한 데이터가 측정되었고 N _p = 7 내지 50이 플로팅되는 도 8에 요약된다. 이러한 데이터는 직렬 접합들의 수로 정규화되는 피크 투 피크 전압이다. 데이터는 SQUIF 감도를 개선시키는 감도 상의 N _s 의 영향을 제거하기 위해 이러한 방식으로 플로팅된다. 이러한 방식으로 데이터를 플로팅함으로써 2D SQUIF 감도 상에서만 N _p 의 영향을 볼 수 있다. N _p ~ 30 주위의 감도에서 하강(dip)이 있는 것으로 나타나지만, 이것은 인트라-칩 변형들보다 더 큰, 접합 파리미터들에서의 인터-칩 변형들로 인한 가능성이 있다.

도 8의 데이터는 어레이들이 더 넓어짐에 따라, 감도가 감소하는 것처럼 보이는 것을 도시하며, 이는 원래 예측된 것이 아니다.

도 10은 스텝 에지(1502)에 의해 교차되는, 1501과 같은, 루프들의 (참조 번호 1500에서의) 어레이를 포함하는 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference filter; SQUIF)의 다른 예를 예시한다. 루프들 각각은 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성한다. 어레이(1500)는 다수의 열들(1503, 1504, 1505 및 1506)을 포함한다. 열들(1503, 1504, 1505 및 1506) 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들(1507, 1508 및 1509)을 포함한다. 즉, 1개의 열의 행들은 1510과 같은, 금속 또는 초전도 바들 또는 다른 연결들(connections)에 의해 연결된다. 다수의 행들(1507, 1508 및 1509) 각각은 병렬로 연결되는, 루프(1501)와 같은, 다수의 루프들을 포함한다. 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 위에 설명된 바와 같이 SQUIF의 감도를 개선하기 위해 낮으며, 이는 수가 감도를 증가시키기 위해 병렬 루프들의 수를 증가시키는 현재의 아이디어와 반대로 선택된다는 것을 의미한다.

도 10의 예에서, 병렬로 연결되는 6개의 루프들이 있으며, 이는 7개의 접합들을 형성한다. 이러한 예에서 루프들의 병렬 연결은 루프들이 도 10에서 화이트 필(white fill)로서 표시되는, 초전도 재료의 동일한 층을 공유한다는 것을 의미한다. 열들(1503, 1504, 1505 및 1506)은 병렬로 연결된다. 예를 들어, 열(1503)은 행의 양쪽 단부에서 금속 바들(1511 및 1512)에 의해 연결된다. 사실, 금속 바들(1511 및 1512)은 모두 4개의 열들을 병렬로 연결한다. 그러나, 인접한 열들의 루프들은 서로 격리된다. 예를 들어, 열들을 서로 분리시키는 격리 기판(1513)의 영역을 정의하는 열들 사이의 초전도 층에 갭이 있다. 그 결과, 전자들과 같은 전하 캐리어들은 하나의 열의 병렬 연결된 루프들을 가로질러 자유롭게 흐를 수 있지만 상이한 열로 가로질러 흐를 수 없다. 사실상, 이것은 루프들의 전체 배열을 병렬로 연결되는 다수의 분리된 열들로 분할한다. 이것은 직렬 연결된 루프들로 인한 임피던스를 낮게 유지하면서 원하는 다수의 루프들을 달성한다.

행과 열의 교차는 또한 셀로서 언급될 수 있고 예시적 셀(1514)이 도 10에 표시된다. 루프들의 수가 모든 셀들에 대해 동일할 필요가 없다는 점을 주목한다. 즉, 더 많은 루프들을 갖는 셀들 및 더 적은 루프들을 갖는 셀들이 있을 수 있다. 예를 들어, 더 넓은 열들 및 더 좁은 열이 있을 수 있거나 루프들의 수가 동일한 열의 셀들 사이에서 변할 수 있다. 다른 예들에서, 그러나, 각각의 셀은 동일한 수의 루프들을 갖는다. 위에 언급된 바와 같이, 루프들은 상이한 루프 영역들을 가질 수 있고 루프 영역들은 통계적 또는 무작위 분포에 따라 분포될 수 있다. 또한, 각각의 셀 및 열은 루프 영역들의 상이한 분포 또는 동일한 분포의 상이한 무작위 샘플들을 가질 수 있다. 다른 예들에서, 루프 영역들은 모든 루프들에 대해 동일하다.

하나의 예에서, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만 또는 10개 미만이다. 추가 예에서, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 8개 미만 또는 심지어 7개 미만이다. 일부 경우들에서, 루프들의 수는 2개만큼 낮을 수 있다.

일부 예들에서, SQUIF 어레이는 어레이의 열들 및 행들에 걸쳐 전체적으로 분포되는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함할 수 있다. 일부 열들은 더 긴 직렬 연결들을 구현하기 위해 직렬로 연결되는 것이 가능하다. 일 예가 도 11에 도시되며 여기서 열들(1503 및 1504)은 제1 세트의 열들을 형성하고 직렬로 연결되고 열들(1505 및 1506)은 제2 세트의 열들을 형성하고 또한 직렬로 연결된다. 두 결과로 초래된 '이중-열들'은 병렬로 연결된다. 즉, 이중-열(1503/1504)은 디바이스가 도시된 바와 같이 터미널(1601 및 1602/1603)에 연결될 때 이중-열(1505/1506)에 병렬로 연결된다. 다시 말해서, 더 긴 열들은 매우 긴 칩보다 제조하기가 더 쉬운, 사각형 설계에 더 가까운 보다 컴팩트한 설계를 달성하기 위해 어레이 구조로 폴딩된다.

도 12는 직렬로 연결되는 3개의 블록들(즉 세트들)(1701, 1702 및 1703)의 다른 예를 도시하고 블록들(세트들) 각각은 병렬로 연결되는 4개의 열들을 갖고 각각의 열에서 병렬로 연결되는 6개의 루프들이 있다. 이것은 직렬의 12개의 열들보다 더 낮은 임피던스를 갖지만 비슷한(comparable) 감도를 갖는다.

도 13은 4개의 4-열 블록들의 직렬/병렬 연결의 추가적인 예를 예시한다. 임의의 하나의 열에서의 병렬 연결된 루프들의 수는 6개로 남아 있는 반면 전체 직렬 연결된 루프들의 수는 또한 6개로 남아 있지만 루프들의 총 수는 48개이다.

일부 예들에서, SQUIF는 특정의 원하는 임피던스를 달성하도록 설계될 수 있다. 그러한 경우, 직렬의 루프들의 수는 원하는 임피던스를 달성하도록 선택되고 그 다음 직렬 연결된 루프들의 수는 루프들의 원하는 총 수와 함께 깊고 선형의 전압 응답 안티-피크를 달성하기 위해, 20개와 같이, 작게 유지된다. 예를 들어, 원하는 임피던스를 위한 1,000,000개의 루프들의 총 수, 병렬의 20개의 루프들 및 직렬의 1000개의 루프들의 경우, 50개의 병렬 연결된 열들이 있을 것이다. 상술한 바와 같이, 각각의 열은 여러 번 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 250개의 루프들은 칩의 높이로 피팅될 수 있으며 이는 병렬 연결된 열들 중 하나를 형성하기 위해 4개의 직렬 연결된 열들이 있을 수 있다는 것을 의미한다. 다시 말해서, SQUIF는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함하고, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이고 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수, 직렬로 연결되는 열들의 수 및 병렬로 연결되는 열들의 수는 어레이의 임피던스가 1 ㏀ 이하이거나 50　Ω과 같은 임의의 다른 원하는 임피던스 값인 것과 같다.

설계 파라미터들을 보는 더 다른 방식에서, 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 2개의 열들의 수를 포함한다. 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함한다. 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함한다. 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 병렬로 연결되는 열들의 수의 2배 초과 및 10배 미만이다. 다양한 상이한 옵션들이 아래 표에 제공된다:

병렬 열들의 수	하기 미만의 병렬 루프들의 수
2	20
3	30
5	50
10	100
100	1,000

어레이를 설계하는 또 다른 예에서, SQUIF는 각각이 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 적어도 1,000,000개의 루프들과 같은, 루프들의 큰 총 수의 어레이를 포함한다. 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 다수의 행들을 포함하고 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함한다. 그러한 경우, 어레이는 병렬 연결된 루프들의 수를 낮게 유지하기 위해 병렬로 연결되는 (폴딩될 수 있는) 적어도 100개의 열들의 수를 포함한다. 열들의 수는 1,000개 또는 10,000개일 수 있다. 더 다른 예에서, 열들의 수는 원하는 임피던스를 초래하는 직렬 연결된 루프들의 수에 의해 분할되고 30(또는 20, 10, 8 또는 7)에 의해 분할되는 루프들의 총 수 이다.

본원에 설명되는 일부 예들은 가변 루프 영역들을 갖는 SQUIF 디바이스들에 관한 것이지만, 일정 영역 SQUID 어레이들이 또한 자력계들과 같은 설명된 개념들과 관련하여 사용될 수 있다. 그들은 더 재현가능한 파라미터들을 가질 수 있고 10,000개의 SQUID들 보다 더 많이 포함할 수 있는 SQUID 어레이들에서 Nb/AlOx/Nb, HTS, LTS 및 MgB2 접합들을 사용할 수 있다.

단일 안티-피크가 관심인 하나의 이유는 자기 필드의 SQUID 측정들에서, 피드백 제어를 사용하는 측정들 동안 SQUID가 측정들의 저하(deterioration)를 초래하고 디바이스가 그것을 "재설정(reset)"하기 위해 예열 및 재-냉각될 필요가 있는 "플럭스 점프들(flux jumps)"로서 또한 언급되는, 소스들의 범위로부터 자기 필드에서의 갑작스러운 증가들로 인해 사인파들 중 하나로부터 다른 것으로 "점프"할 수 있는 (이것은 이완 락(Loosing Lock)으로 지칭됨) 문제들이 있을 수 있다는 것일 수 있다. 다른 동일 크기 전압 발진이 근처에 없는 경우, 하나의 주요 안티-피크를 갖는 SQUIF들에 대한 경우에서와 같이, 이때, SQUID가 락(lock)을 잃었다는 것이 훨씬 더 두드러진다. 따라서, 어레이들이 RF 검출을 위한 감도를 증가시키기 위해 사용되는 경우, 이때, SQUIF 어레이보다 더 양호한 감도를 제공한 경우, SQUID 어레이를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 SQUID 어레이를 사용하지 않는 이유는 SQUIF 안티-피크가 많은 유사한 사인파들의 적산(summation)으로 인해 단지 다른 사인파(더 큰 피크 투 피크) 이어야만 하는 SQUID 어레이와 비교하여, 더 커야하고(더 큰 동적 범위를 제공함) 또한 그것의 최대 기울기에서 더 큰 범위에 걸쳐 더 선형적이어야 한다는 것이다. 피드백은 단일 SQUID 응답을 선형화하기 위해 사용될 수 있지만 이것은 또한 동적 범위를 제한한다. SQUID 어레이들은 또한 자기 필드들에 대한 보다 라운딩된 정현(sinusoidal) 전압 응답들로 인해 노이즈에 대해 더욱 민감하다. 이것은 더 많은 공격적인 피드백 루프가 SQIF 어레이와 함께 사용될 수 있다는 것을 의미한다(이는 또한 대역폭을 감소시킬 수 있음).

위의 설명은 5 내지 10옴의 단일 접합 정상 저항을 초래할 수 있는 YBCO와 같은, 고온 초전도 재료에 관한 것이라는 점이 주목된다. 그러나, 다른 재료, 예컨대 저온 초전도 재료들 및 다른 것들이 동일하게 사용될 수 있다. 마찬가지로, YBCO 또는 다른 HTS 재료들에 대해 사용되는 다른 접합 타입들이 동일하게 사용될 수 있다.

예들

고온 초전도(high-temperature superconducting; HTS) SQUID들의 수 개의 1차원(1D) 병렬 어레이들의 전압-자기 필드 응답은 병렬의 수 N=4 내지 81개의 조셉슨 접합들의 함수로서 측정되었다. 동일한 루프 영역들을 갖는 SQUID 어레이들은 실험적으로 측정되었다. 어레이들의 감도는 일반적으로 표준 모델들의 예측과 반대로, 병렬의 접합들의 수가 증가함에 따라 감소하였다. 전체 이론적 설명은 단일 DC SQUID에 대한 모델을 어레이의 모든 루프들을 통해 순환하는 전류들에 의해 생성되는 플럭스를 포함하는 병렬의 다수의 루프들로 확장시킴으로써, 인가된 자기 필드에서 1D 병렬 HTS 어레이들을 설명하기 위해 개발되었다. 계산들은 초전도 양자 간섭 필터들(superconducting quantum interference filters; SQIFs)로서 달리 공지된, 루프 영역들에서 변형들을 갖지 않는 SQUID 어레이들에 대해 그리고 루프 영역들의 범위를 갖는 어레이들에 대해 수행되었다. 모델은 임계 전류 및 정상 저항 및 그들의 공지된 큰 통계적 변형들(30%)과 같은, HTS 조셉슨 접합 파라미터들에 대한 전형적인 값들을 포함하는, HTS 어레이들과 관련된 파라미터들을 사용하였다. 전류 바이어싱 리드들의 위치의 영향은 또한 계산들을 통해 탐구되었다. 이러한 모델은 상이한 기하구조들의 실험적으로 측정된 1D 어레이들과의 양호한 일치를 도시하고 어레이 응답을 최적화할 때 어레이들에 대한 전류 바이어싱 리드들의 기하구조의 중요성을 강조한다.

HTS SQIF 및 SQUID 어레이 감도의 스케일링(scaling)과 연관되는 문제를 해결하기 위해, 본 개시는 실험적으로 및 이론적으로, N=3 내지 81개의 접합들을 갖는 작은 1D 병렬 SQUID 어레이들 및 SQIF 어레이들의 감도를 조사한다. 특히, SQIF 감도 상의 전류 바이어싱 방식의 영향 뿐만 아니라, 1D 어레이에서 증가하는 병렬 접합들의 수로 인한 어레이 감도 상의 영향을 조사한다. 이들 HTS SQIF 어레이들은 MgO 기판들 상의 박막 YBCO 스텝-에지 접합들에 기초한다. 계산들은 개별 어레이 루프들 주위를 흐르는 전류들 및 인가된 자기 필드로 인해 어레이에서 각각의 루프를 관통하는 플럭스를 고려함으로써 유도되며, 단일 dc SQUID의 전압-필드 성능을 계산하기 위해 사용되는 모델들을 확장시킨다. HTS 접합들의 접합 파라미터 특성들에서의 통계적 스프레드들(spreads)은 SQUID 루프 영역들(인덕턴스들) 및 분포들의 범위와 함께 모델에서 고려된다.

어레이 설계, 제작 및 측정

YBCO 스텝-에지 조셉슨 접합들에 기초한 1D SQUID 및 SQIF 어레이들은 아르곤 이온-빔 밀링[Foley 등. 1999]에 기초한 확립된 기술을 사용하여 그들의 표면으로 에칭되는 스텝들을 갖는 MgO 기판들 중 1 cm² 기판들 상으로 YBCO의 에피택셜 박막들(약 100 nm 내지 200 nm)을 성장시킴으로써 리소그래픽적으로 제작되었다. 그레인 경계들(Grain boundaries)은 조셉슨 접합들을 생성하는 MgO 스텝의 상단 에지에서, e-빔 증발을 사용하여 증착되는, YBCO 필름에 형성된다. 그 다음, 필름들은 2 ㎛ 폭 스텝-에지 조셉슨 접합들을 갖는 다양한 1D 접합 어레이 설계들로 제작된다. 병렬 접합들의 수, N _p 는 4에서 81까지 증가하였고 동일한 기판 상에 제작되었다. 이것은 각각의 어레이에서 N _p -1 SQUID 루프들에 대응하며; 도 1의 예는 N _p = 10개의 접합들, 및 따라서 병렬의 9개의 SQUID 루프들을 갖는다.

증가한 병렬 루프들의 수와 함께 동일 루프 영역들(SQUID 루프 홀들은 w = 4 ㎛ 폭 및 h = 8 ㎛ 높이 이었음)을 갖는 1D SQUID 어레이들의 2개의 세트들이 제작되었고 N _p = 4, 6, 11, 21, 31을 갖는 제1 세트 및 N _p = 8, 16, 51, 81을 갖는 제2 세트로 측정되었다. 상이한 세트들은 전류 바이어싱 기하구조들의 영향을 실험적으로 조사하기 위해 설계되었다. 각각의 어레이는 어레이의 중앙에 대략적으로 위치되는 단일 전류 바이어싱 리드를 가졌고 어레이들은 모두 동일한 YBCO 필름으로 동일한 MgO 기판 상에 제작되었다.

전류-전압(I-V) 및 전압-자기 필드(V-B) 특성들은 지구의 자기 필드를 차단하기 위해 5층의 뮤-메탈(mu-metal) 차폐를 갖는 액체 질소의 듀어(dewar)에서 측정 프로브 상의 어레이들을 냉각시킴으로써 77 K에서, 표준 4-터미널 방법을 사용하여, 모든 어레이들에 대해 측정되었다. 어레이들의 임계 전류, I _c 및 정상 저항, R _na 은 직선을 I _c 보다 5배 더 큰 전류에서 I-V 데이터에 피팅시킴으로써 I-V 특성으로부터 결정되었다. 라인의 기울기 및 y-절편은 각각 R _na 및 I _c 를 계산하기 위해 사용되었다. 어레이들의 인덕턴스 인자,

는 FastHenry 및 평균 접합 임계 전류(I _c )를 사용하여 결정되는 (기하학적 및 운동학적 SQUID 인덕턴스 둘 다를 포함하는) 단일 SQUID 루프 인덕턴스, L _s 로부터 결정되었다.

실험 결과들

더 큰 SQUID 및 SQIF 어레이들의 감도를 그들의 감도가 그들의 단일 SQUID 등가 전압 변조들에 비례하여 스케일링되도록 개선하기 위한 방법으로서[Schultze 등, 2006], 본 개시는 1D 병렬 어레이 동일 루프 영역 SQUID 어레이들에 기초하여 기하구조들을 조사한다. 루프 영역들(인덕턴스들)은 β _L < 1을 보장한다. 여기서, 우리는 N _p =4 내지 81을 갖는 증가한 병렬 접합들의 수를 갖는 SQUID들의 1D 병렬 어레이들의 전압-자기 필드(V-B) 측정들에 대해 보고한다.

5개의 타입 A 및 4개의 타입 D 어레이들의 전압-자기 필드 응답이 각각 도 15a 및 도 15b에 도시된다. 어레이의 각각의 측정에 대해, 바이어스 전류(I _b )는 전압 변조를 최대화하도록 선택되었다.

N _p ≤16의 더 작은 값들을 갖는 어레이들의 경우, V-B 응답들은 피크 투 피크 전압들(V _p-p)이 일부 더 작은 주기 진동들이 중첩되는, 더 큰 주기 엔벨로프 함수 내에서 변조되는 큰 진동들에 의해 지배된다.

와 관련되는 더 좁은 어레이들의 지배적인 주기는 제1 세트에 대해 약 20 μT 및 제2 세트에 대해 14.9 μT 이었으며, 이는

에 따라서 각각, 104 μm²(139 μm²)에 대응한다. 이들 정의적(affective) 영역들은 A _eff = 96 μm²및144 μm²의 예측된 값들에 가깝다. N _p 가 증가함에 따라 제로 필드에서의 안티-피크는 진폭에서 감소하고 양측의 최대 기울기는 감소하며, 더 불충분한 감도를 의미한다. 게다가, 더 넓은 어레이들의 주기성은 도 21a 및 도 21b에서 N _p >16에 대해 저하된다. N _p = 51을 갖는 어레이들의 경우, 81개의 메인 안티-피크가 모두 함께 사라졌고, 더 높은 필드 진동들은 메인 주기와 회선되는(convoluted) 다수의 특징들을 갖는다.

모든 어레이들에 대한 감도들은 제로 필드에 가까운 V-B 곡선들의 최대 기울기로서 결정되었다. N _p > 20을 갖는 어레이들의 경우, 최대 감도는 제로 필드에서 주목할 만한 안티-피크의 부재로 인해 반드시 제로 필드에 가까이 있을 필요가 없었다. 이들 더 긴 어레이들의 경우, 기록된 감도는 그 대신 더 짧은 어레이들에 대해 측정된 바와 같은 동일한 안티-피크 위치에 가까운 V-B 곡선들의 기울기로부터 획득되었다. 함수 N _p 로서 두 세트들의 어레이들에 대한 1D 어레이 감도(dV/dB)의 요약이 도 16에 도시된다. 사각형 데이터 포인트들(제1 세트)은 대략 N _p =10 접합들을 갖는 1D 어레이들에 대한 최대 감도를 도시하는 반면, (제2 세트)를 나타내는 원형 데이터 포인트들은 N _p 가 증가함에 따라 감도의 연속 감소를 도시한다. 두 경우들에서, N _p > 10인 경우 어레이 감도는 N _p =20이 일부 응용들에 대해 유용한 감도를 제공할 수 있다는 점을 주목할 때 감소한다. 어레이 폭이 증가함에 따라 감도의 감소는 어레이들 주위를 순환하는 더 큰 초전도 차폐 전류들로 인해 발생하는 큰 필드 효과들로 인한 가능성이 가장 크며, 이는 그들이 최적으로 바이어스될 때, 초과 플럭스를 어레이들로 결합시킨다.

이론적 모델링

여기서 개발되는 모델은 HTS 재료 파라미터들을 가정하여 1D 어레이들을 설명한다. 그것은 루프에서 2개의 조셉슨 접합들을 갖는 단일 DC SQUID를 설명하는 이전 모델들[Tesche & Clarke 1977]로 시작하고, 그것을 병렬의 N _p 접합들을 포함하는 N _p-1 루프들을 갖는 어레이로 확장시킨다(도 23a, 도 23b). 루프들을 순환하는 전류들은 접합들을 통해 수직 전류들(I _j ) 및 j번째 루프의 상단 및 하단 주위의 수평 전류들(J _j )로 분할된다. 바이어스 리드들을 통해 어레이로 주입되는 바이어스 전류(I _bj )가 또한 포함된다. 2개의 바이어싱 방식들(schemes)이 모델링되며; 제1 방식은 전류가 1D 어레이를 따라 하나의 바이어스 리드를 통해 주입된다고 가정하며, I _bj 는 그 위치가 모델(도 17a)에서 선택될 수 있지만 전형적으로 어레이의 중앙에 가까이 있다. 제2 방식은 (I _bNp 까지) 접합들이 있는 바와 같이 바이어스 리드들의 동일한 수 N _p 를 통해 어레이를 "균일하게 바이어싱하는 것"을 포함한다(도 17b). 각각의 루프에 대해, 게이지 불변 위상 차이,

의 함수로서 조셉슨 접합들을 통해 전류 및 전압을 설명하는 표준 조셉슨 접합들은 I _j 를 결정하기 위해 사용된다. 키르히호프의 법칙(Kirchhoff's law)은 각각의 루프 주위의 이들 전류들을 r가산하기 위해 사용된다.

그 다음, 각각의 루프의 플럭스,

는 인가된 플럭스로 인해 그리고 루프들에서 순환하고 바이어스 리드들에서 흐르는 초전도전류(supercurrent)로 인한 플럭스로 인해 계산된다. 제2 긴즈버그 란다우(Ginzburg-Landau) 방정식 [1]에 기초하여, 그 다음,

에 대한 1차 미분 방정식들의 결합된 시스템이 수치적으로 해결된다.

[1]

방정식 [1]에서,

는 전류 밀도이고, λ는 투과 깊이이고,

는 자유 공간의 투과도이고,

는 플럭스이고

는 자기 벡터 전위이며 여기서

이다. 모든 루프들로부터의 자기-인덕턴스들, 운동 인덕턴스들 및 상호 인덕턴스들이 계산들에 포함되었다. 최종적으로, 디바이스에 걸친 시간-평균 전압 <V>는 정규화된 단위들에서,

의 시간 미분인,

로부터 계산된다. 이러한 방법은 먼저 1D SQIF 어레이에서 그들의 LTS 접합들에 대해 Oppenlander 등(2000)에 의해 유도되는 전압-자기 필드 응답을 검증하기 위해 사용되었다. 그 다음, 다음의 결과들은 병렬 접합들의 가변 수, N _p 를 갖는 1D 어레이에서 HTS 접합들에 대해 유도되었다. 중요한 파라미터인, SQUID 인덕턴스 파라미터

는단일 SQUID 루프 파라미터와 유사하고 다음 2개의 변수들의 곱에 비례한다; I _c , 평균 접합 임계 전류 및 L _s , 평균 SQUID 인덕턴스 즉 자기-인덕턴스 플러스 운동 인덕턴스의 평균. 모델은 단일 변수로서 β _L 의 변형들의 영향을 고려하지만, 실제로 어레이들을 설계 시, 개별 파라미터들 I _c 및 L _s 의 실험 값들은 중요한 설계 파라미터들이다.

여기에 설명되는 모델은 실제의(real-world) HTS 디바이스들을 더 양호하게 반영하기 위해 큰 다중-파라미터 공간을 포함한다는 점이 주목된다. I _c , 및 접합 정상 저항 R과 같은 디바이스 파라미터들에서의 큰 통계적 스프레드들(σ ~ 30% 내지 35%)은 문헌에서 이전에 보고된 HTS 디바이스 파라미터들을 반복하기 위해 모델에 포함되었다. 마찬가지로, 루프 영역 및/또는 루프 인덕턴스의 스프레드는 SQIF 응답이 요구될 때 어레이들을 모델링하기 위해 사용된다. 따라서, 이러한 모델은 N _p , β _L 및 바이어스 전류 I _bj 뿐만 아니라 I _c R, L _s 에서 파라미터 스프레드들을 시험한다. 열적 노이즈는 결과들이 77 K 동작과 동일한 열적 노이즈의 포함이 본원에 설명되는 주요 결론들 또는 일반적인 경향들을 변화시키지 않는다고 제안함에 따라, 모델에 추가되지 않았다. 이것에 대한 이유는 모델에서의 총 바이어스 전류, I _b 가 모든 접합 I _c 의 합보다 더 크도록 선택되었기 때문이다.

1D 병렬 SQUID 어레이들 및 SQIF 어레이들의 이론적 모델링

본원에 제시되는 1D SQUID 어레이들에 대한 실험 결과들은 접합들(및 따라서 루프들)의 수가 대략 8개 내지 10개를 넘어 증가함에 따라, 어레이의 자기 필드 감도는 감소하고, V-B 응답들은 카운터 직관(intuitive) 전압 응답들로 덜 주기적이 된다는 것을 발견하였다. 다음 설명에서, 우리는 HTS 디바이스들에서 전형적으로 발견되는 접합 파라미터들에서의 변형들을 포함하는, 우리의 실험 어레이들에서 발견되는 유사한 파라미터들을 사용하여, 어레이들에서 증가한 접합들의 수를 갖는 1D SQUID 및 SQIF 어레이들을 모델링한다. 결과들은 1D SQUID 어레이들(동일 영역 루프들, 즉

= 0을 가짐) 및 1D SQIF 어레이들(루프 영역들 범위인,

= 0.07, 0.3을 가짐)의 이론적 계산들로부터 제시되고 실험 작업에서 전형적으로 측정되는 파라미터들 및 파라미터 스프레드들을 포함한다. 계산들은 정규화된 단위들로 제시되며, 여기서 전압 응답들은 I _c R _n 곱으로 정규화되는 반면 인가된 플럭스는 단일 플럭스 양자

로 정규화되는 인가된 플럭스

의 관점들에서 플로팅된다. 어레이들은 그들의 임계 전류 바로 위에서 바이어스된다.

접합 파라미터들(

)에서 동일 영역 루프들 및 스프레드를 갖는 SQUID 어레이들

도 18은 어레이의 중심이 1.1 x 4I _c 에서 바이어스되는 β _L = 0.3, 0.7 및 1.0의 3개의 값들에 대해 N_p = 4개의 접합들을 갖는 도 2에 도시된 1D 어레이에 기초한 모델을 사용하여 계산되는 3개의

곡선들의 예들을 도시한다. β _L 이 증가함에 따라, 전압 변조 진폭는 감소하고

응답의 기울기는 감소하여 어레이 감도가 감소하고 있다는 것을 의미한다. 모든 곡선들은 도 21b에서 실험 데이터와 일치하는 플럭스/자기 필드의 이러한 범위에 대해 유사한 전압 피크 높이들을 도시한다. β _L

0의 경우, 모델들은 제로 볼트들에 도달하는 미니마(minima)를 갖는 (정규화되는) 1.0의 최대 전압 변조를 예측한다[ppenlander 등 2000]. 그러나 β _L 의 이들 범위의 경우, 모델은 전압 미니마가 최대 전압의 0.25 내지 0.53배인 것으로 예측한다(도 18). 사실 β _L = 0.3의 경우, 도 18은 β _L = 0.44를 갖는 어레이에 대해 최대 전압의 약 0.37배의 변조 깊이를 갖는 도 15b에 도시된 실험 데이터와 일치하는 0.53<V>의 피크 투 피크 값을 나타낸다.

제안된 모델은 YBCO 스텝-에지 접합들을 포함하는 많은 HTS 접합들에서 실험적으로 관찰되는 전형적인 변형들을 반영하는 접합 파라미터들의 스프레드들을 포함하도록 확장될 수 있다[Lam, 2016]. 도 19a 및 도 19b는 β _L = 0.7을 갖는 N _p =4 접합 어레이에 대한

상에서 각각, I _c 및 R에서의

=0.3 또는

=0.3 스프레드의 영향을 비교한다. I _c 스프레드의 영향,

는 약 10%만큼 전압 변조를 감소시키고 약간의 비대칭성을 도입하는 것이었으며, 그러나

피크들의 기울기는 눈에 띄게 변하지 않았다. 마찬가지로, 유사한 변화들은

=0.3이 계산들에 포함될 때 관찰되었지만 감도는 균일한 접합 케이스와 유사하게 남아 있다는 것을 다시 주목한다.

루프 영역 스프레드들인

=0.07 내지 0.3 및 전류 바이어싱 기하구조를 갖는 SQIF 어레이들

이전 개시는 루프 영역들에서 스프레드를 갖지 않는(

= 0) 1D 어레이들을 모델링하였다. 도 20a는 N _p = 16 및 β _L = 0.3를 갖는 어레이가 루프 영역들에서 작은 스프레드(

=0.07)를 갖는 (2601) 및 갖지 않는 (2602)로 모델링된 경우를 도시하지만, 접합 파라미터들 R 및 I _c 에 스프레드가 없다고 가정한다. 루프 영역들의 그러한 스프레드(약 ~7%)는 예를 들어, 포토리소그래피 패터닝 차이들로 인한 제작에서 변형들의 결과로서 실험적으로 발생할 수 있다. 모델은 어레이가 균일하게 바이어스 된다고 가정한다(즉, 1D 어레이의 각각의 SQUID 루프는 도 17b에 도시된 바와 같이 동일하게 바이어스됨).

= 0.07을 갖는 어레이 V-B 응답은 ±3

밖으로 전압 피크들의 점진적인 감소를 갖는 엔벨로프 함수를 개발하며 이를 넘어서 전압은 비-주기적으로 변한다(도 20a). 이러한 모델링된 어레이의 전체 응답은 도 21b에서 측정되고, 도 20b에서 재현되는 N _p = 16 동일 루프 영역 어레이에 대한 실험 데이터에서 보이는 일반적인 특징들과 유사한다.

도 21a는 N _p = 16 루프들을 갖지만, 평균 β _L = 0.3을 갖는

= 0.3의 루프 영역에서 더 큰 스프레드를 갖는 유사한 1D 어레이에 대해 인가된 플럭스에 대한 이론적으로 정규화된 전압 응답을 도시한다. 루프 영역들의 이러한 크기 스프레드는 전형적으로 SQIF 어레이들을 생성하기 위해 사용되는 것이다.

응답은 평균 루프 영역 당 인가된 플럭스에 기초하고 어레이를 균일하게 바이어스함으로써 계산되었다. 도 21b는 동일한 SQIF 어레이의 모델링을 도시하지만, 바이어스 전류는 이전에 설명된 바와 같이(도 17a), 어레이의 중앙에 인가된다.

도 21a 및 도 21b는 어레이가 중앙에서 바이어스될 때 제로-필드에 대한

응답의 대칭의 손실 및 매우 낮은 감도 어레이를 생성하는 중앙 안티-피크에서의 급격한 감소를 도시한다. 이러한 작용(behaviour)은 자기(self)-필드 영향들에 기여된다. 1D 어레이의 극단들에서 단일 SQUID 루프들을 최적으로 바이어스하기 위해, 다량의 전류가 어레이의 중앙에 주입된다. 이러한 예에서, 모든 접합들이 동일한 임계 전류, I _c 를 갖는 것으로 가정하면, 이때, 주입된 바이어스 전류는I _b

16xI _c 일 것이다. 이것은 다량의 바이어스 전류가 어레이의 주입 포인트에서 루프들에 주입되고 있고, 플럭스를 비-최적 방식으로 이들 루프들에 결합시키는 다량의 자기 필드(self-field)를 생성하고 있고, 개별적인 루프들의 감도를 저하시키고 있다는 것을 의미한다.

증가한 N _p 및 다양한 β _L 을 갖는 상이한 바이어싱 방식들의 감도 상의 영향

수 개의 1D 어레이 파라미터들의 영향을 결합한, 이론적 계산들은 증가한 어레이 폭 N _p , 및 최대 정규화된 감도,

상의수 개의 상이한 평균 β _L 값들에 대한 상이한 바이어싱 방식들(균일 및 중앙 바이어싱)의 영향을 보기 위해 확장되었으며, 여기서,

는 다음과 같이 식 [2]에서 정의된다:

[2]

도 23a 및 23b는 최대 정규화된 감도,

가 β _L = 0.1, 0.3 및 0.7의 3개의 값들에 대한, N _p = 3 내지 45에 대해 플로팅되는 1D 동일-루프 영역 어레이들에 대한 이들의 영향들을 요약한다. 어레이가 균일하게 바이어스될 때(도 23a), 어레이의 최대 감도는 N _p 가 β _L 에 의존하는 N _p 의 특정 값까지 증가함에 따라 증가한다. β _L = 0.1의 경우, 감도는 N _p

10 주위에서 약 7.8의 플래토(plateau)에 도달하고 더 높은 N _p 에서 크게 개선되지 않지만, β _L 이 증가함에 따라 전체 최대 감도는 (β _L =0.7에 대해) 약 2로 4배 강하하고 감도의 플래토는 N _p

4의 더 낮은 값들에서 시작한다. 그 대신, 동일한 어레이들이 중앙에서 바이어스되는 경우(도 23b), 어레이 감도는 모든 시나리오들에 대해 전체적으로 더 낮다(도 23a 및 도 23b에서 동일한 β _L 값들을 비교함). β _L = 0.1의 경우, 중앙에서 바이어스되는 어레이에 대한 이론적으로 예측되는 최대 감도는 단지 약 4.5이고 N _p = 6에서 발생한다. 어레이 폭의 추가 증가들은 어레이 감도에서의 감소(2301)를 보며, 도 23a의 플래토는 N _p 의 낮은 값들에서 도 23b의 최대 값으로 대신 무너진다. β _L 이 증가함에 따라, 이러한 최대는 β _L =0.7일 때, 어레이 감도가 N _p 가 N _p = 2로부터 증가함에 따라 단지 감소하도록 퀀칭된다. 도 23의 모든 계산들은 스프레드가 어레이 파라미터들에 없는 것으로, 즉

이라고 가정한다는 점을 주목한다.

1D SQIF 어레이들 상의 접 합 파라미터들( I _cj , R _j )의 스프레드의 영향

도 19와는 별도로, 모든 이론적인 계산들은 접합 파라미터들(I _cj , R _j )이 어레이에서 모든 접합들, j에 대해 동일하였다고 가정하였다. 그러나, 높은-T_c 접합들은 특히 짧은 코히어런스 길이들, 및 조셉슨 접합들을 형성하는 그레인 경계들의 성장에서의 고유 변형들의 조합으로 파라미터들에서 더 큰 스프레드를 가질 수 있다. I _cj 및 R _j 의 스프레드들은 10% 내지 60%의 넓은 범위를 커버할 수 있다. 여기서, 우리는 이론적인 계산들에서, 스텝-에지 접합들의 초기 측정들로부터 획득되는, 0.3의

,

의 값을 사용한다.

도 24a 및 도 24b의 정규화된

응답에 대한 곡선들은 β _L = 1.5를 갖고 도 21a에서 사용된 바와 같은 루프 영역 스프레드

=0.3을 갖는 1D 어레이들에 대해

=0.3의 I _c 에서의 스프레드(도 24a) 또는

=0.3의 R _n 에서의 스프레드(도 23b)를 갖는 접합들에 대한 4개의 상이한 세트들의 무작위 값들을 사용하여 N _p =16을 갖는 1D SQIF 어레이에 대해 생성되었다. 접합 파라미터 스프레드는 SQIF 감도에 가변적이고 전반적으로 유해한 영향을 미친다.

결론들

요약하면, 접합 파라미터들의 범위를 갖는, 병렬의 거의 동일한 루프 영역들을 갖는 다수의 1D 높은-T_c SQUID 어레이들에 대한 자기 필드 성능은 77 K에서 측정되었고 1D 어레이들이 폭에서 증가함에 따라 점점 더 불충분한 감도들(전압 변조)을 개발하는 것으로 나타났다. 어레이들의 접합 파라미터들(I _cj , R _j ), (인덕턴스 파라미터 β _L 을 통한) 루프 영역들 및 전류 바이어싱 기하구조에서의 보통의 변형들과 같은 높은-T_c 재료들에 대해 중요한 디바이스 파라미터들의 변형들을 포함하는 HTS 박막에 적용가능한 1D SQUID 및 SQIF 어레이들에 대한 이론적인 모델이 개발되었다. 제안된 모델은 SQIF들에 대한 이전의 작업(Oppenlander 등)으로부터의 결과들을 반복하고 낮은 β _L 이 안티-피크의 기울기를 증가시킴으로써 SQIF 어레이 감도를 개선하기 위해 요구된다는 것을 나타낸다. 제작 프로세스에서의 변형들로 인해, 즉 어레이에 걸쳐 불균일하게 어레이 패턴을 언더- 또는 오버-에칭하는 것으로 인해 생성되는 것들과 같은 루프 영역들의 작은 변형들(약 7%)은 이상적인 예상 V-B 응답으로부터의 편자들을 설명하고, 실험적으로 관찰되는 엔벨로프-형상 응답들을 생성할 수 있다.

실험적이고 이론전인 모델링 결과들 둘 다는 β _L 이 작게 유지되면, 이때, HTS 디바이스들에서 공통인 접합 파라미터들에서의 전형적인 변형들(약 30%)이 SQUID 또는 SQIF 어레이 응답에 유해한 영향을 미치지 않을 것이라고 제안한다. 어레이 응답(감도)은 전류 바이어싱 구조에 의해, 특히 어레이의 폭이 증가함에 따라, 그리고 더 큰 β _L (> 0.7)을 갖는 디바이스들에 대해 영향을 받을 것이다. 균일한 전류 바이어싱은 이것이 여분의 플럭스를 어레이에 걸쳐 루프들에 결합시키는, 단일 포인트로부터 어레이들로 주입되는 더 큰 전류들로 인해 자기-필드 영향들을 감소시키는 것을 도울 수 있기 때문에 어레이 감도를 보존하는 것을 도울 수 있다.

도 26은 본원에 설명되는 장치를 사용하여 자기 플퍽스를 측정하는 방법(3200)을 예시한다. 방법은 루프들의 어레이를 자기 플럭스에 노출시키는 단계(3201)를 포함한다(3201). 각각의 루프는 본원에 설명되는 바와 같이 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성한다. 그 다음, 방법(3200)은 예컨대 디바이스를 통한 전류를 측정함으로써, 자기 플럭스에 대한 어레이의 전기적 응답을 측정하는 단계(3202)를 포함한다. 그 다음, 측정에 기초하여 자기 플럭스를 나타내는 값이 결정된다(3203). 어레이가 다수의 열들을 포함한다는 점이 주목된다. 또한, 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함한다. 중요하게는, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 루프들의 수는 이것이 더 작은 자기 플럭스가 측정될 수 있고/있거나(감도), 자기 플럭스가 덜 왜곡되고/되거나(선형성) 자기 플럭스의 범위가 다른 어레이들과 비교하여 더 크다는 의미에서 자기 플럭스의 측정을 개선함에 따라 2개 초과 20개 미만이다.

다수의 변형들 및/또는 수정들은 본 개시의 넓은 일반적인 범위로부터 벗어나는 것 없이 위에 설명된 실시예들에 대해 이루어질 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 본 실시예들은 제한적이 아닌 예시적인 것으로 모든 측면들에서 간주되어야 한다.

Claims

각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 초전도 양자 간섭 장치에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들(columns)을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들(rows)을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이며,
상기 다수의 열들(columns) 중 적어도 2개는 병렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항에 있어서,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 10 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.
제2항에 있어서,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 8 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.
제3항에 있어서,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 7 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 다음: 즉,
감도;
선형성; 및
동적 범위
중 하나 이상으로부터 선택되는 성능(performance)을 개선시키는, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루프들 각각은 고온 초전도 재료인, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 초전도 양자 간섭 필터(superconducting quantum interference filter; SQUIF)인, 초전도 양자 간섭 장치.
제7항에 있어서,
상기 루프들은 상기 어레이에 걸쳐 변하는 루프 영역들을 갖는, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 초전도 양자 간섭 디바이스(superconducting quantum interference device; SQUID) 어레이인, 초전도 양자 간섭 장치.
제9항에 있어서,
상기 루프들은 각각의 행에서 병렬로 연결되고 동일한 루프 영역을 갖는, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열들은 다수의 세트들의 열들을 포함하고 상기 각각의 세트의 열들은 직렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.
제11항에 있어서,
상기 다수의 세트들의 열들 중 제1 세트의 직렬-연결된 열들은 상기 다수의 세트들의 열들 중 제2 세트의 직렬 연결된 열들에 병렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열들은 다수의 세트들의 열들을 포함하고 상기 각각의 세트의 열들은 병렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.
제13항에 있어서,
상기 다수의 세트들의 열들 중 제1 세트의 병렬-연결된 열들은 상기 다수의 세트들의 열들 중 제2 세트의 병렬-연결된 열들에 직렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어레이의 임피던스는 1 ㏀ 이하인, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어레이는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함하는, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 적어도 1,000,000개의 루프들을 포함하며, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이고, 각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수, 직렬로 연결되는 상기 열들의 수 및 병렬로 연결되는 상기 열들의 수로 인해 상기 어레이의 임피던스가 1 kΩ 이하인, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 2개의 열들의 수를 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 병렬로 연결되는 상기 열들의 수의 2배 초과 및 10배 미만인, 초전도 양자 간섭 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 적어도 1,000,000개의 루프들의 어레이를 포함하고,
상기 어레이는 병렬로 연결되는 적어도 100개의 열들의 수를 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하는, 초전도 양자 간섭 장치.
컴퓨터 코드가 저장되는 비-일시적, 컴퓨터 판독가능 매체에 있어서,
상기 컴퓨터 코드는 제1항의 양자 간섭 장치를 정의하는, 비-일시적, 컴퓨터 판독가능 매체.
각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 양자 간섭 장치를 정의하는 포토 마스크 또는 마스크들의 세트에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이며,
상기 다수의 열들(columns) 중 적어도 2개는 병렬로 연결되는, 포토 마스크 또는 마스크들의 세트.
각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 전자 칩에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 2개 초과 및 20개 미만이며,
상기 다수의 열들(columns) 중 적어도 2개는 병렬로 연결되는, 전자 칩.
각각의 루프가 초전도 양자 간섭 디바이스를 구성하는, 루프들의 어레이를 포함하는 초전도 양자 간섭 장치에 있어서,
상기 어레이는 다수의 열들을 포함하고,
상기 열들 각각은 직렬로 연결되는 다수의 행들을 포함하고,
상기 다수의 행들 각각은 병렬로 연결되는 다수의 루프들을 포함하고,
각각의 행에서 병렬로 연결되는 상기 루프들의 수는 상기 장치의 감도를 개선시키기 위해 2개 초과 및 20개 미만이고 상기 어레이의 임피던스는 1 ㏀ 이하이며,
상기 다수의 열들(columns) 중 적어도 2개는 병렬로 연결되는, 초전도 양자 간섭 장치.
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