ELEKTRONIKA NADPRZEWODNIKOWA

Transkrypt

1 WYDAWNICTWA KSIĄśKOWE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI ELEKTRONIKA NADPRZEWODNIKOWA Łukasz Adamczyk Tadeusz Janowski Warszawa 2011

2 Spis treści 5 SPIS TREŚCI WYKAZ OZNACZEŃ WYKAZ SKRÓTÓW WPROWADZENIE NADPRZEWODNICTWO I MATERIAŁY NADPRZEWODNIKOWE Rys historyczny nadprzewodnictwa Podstawowe pojęcia w nadprzewodnictwie Materiały nadprzewodnikowe Przewody LTS Nb-Ti, Nb 3 Sn Przewody HTS Bi-2212, Bi-2223, Y Budowa i zastosowania elektrycznych urządzeń nadprzewodnikowych ZJAWISKA KWANTOWE W ELEKTRONICE NADPRZEWODNIKOWEJ Kwantowanie strumienia magnetycznego w nadprzewodniku Zjawisko Josephsona Równania Josephsona Złącze Josephsona Model zastępczy (RCSJ) złącza Josephsona Stałoprądowe zjawisko Josephsona Zmiennoprądowe zjawisko Josephsona NADPRZEWODNIKOWE INTERFEROMETRY KWANTOWE SQUID nadprzewodnikowy interferometr kwantowy Nadprzewodnikowy interferometr kwantowy DC-SQUID Nadprzewodnikowy interferometr kwantowy RF-SQUID Obwód wejściowy DC-SQUID-u Scalone detektory DC-SQUID Parametry nadprzewodnikowych interferometrów kwantowych SYSTEMY POMIAROWE SQUID Nadprzewodnikowe transformatory strumienia magnetycznego System pomiarowy z DC-SQUID-em System pomiarowy z RF-SQUID-em Dwustopniowy system pomiarowy DC-SQUID Układ DC-SQUID z zamkniętą pętlą magnetyczną ujemnego sprzęŝenia zwrotnego Układ DC-SQUID z modulacją strumienia magnetycznego System pomiarowy DC-SQUID w układzie z generatorem relaksacyjnym Cyfrowy system pomiarowy SQUID Systemy pomiarowe SQUID oferowane komercyjnie ZASTOSOWANIA NADPRZEWODNIKOWYCH INTERFEROMETRÓW KWANTOWYCH Pomiary słabych pół magnetycznych Zastosowania detektorów SQUID w inŝynierii biomedycznej Pole magnetyczne wywołane bioprądami Kierunki w badaniach biomagnetycznych z wykorzystaniem czujników SQUID Magnetokardiografia Magnetoencefalografia Pomiary magnetyczne tkanek podmagnesowanych 134

3 6 Spis treści Inne metody badawcze wykorzystujące detektory SQUID Zastosowania SQUID-ów w badaniach nieniszczących materiałów System HTS SQUID do badań geofizycznych Zastosowania elektroniki nadprzewodnikowej w metrologii Wstęp do metrologii kwantowej Kwantowy wzorzec napięcia elektrycznego Femtowoltomierz SQUID-owy Kriogeniczny komparator prądowy Kwantowy trójkąt metrologiczny Termometr szumowy Skaningowy mikroskop SQUID-owy Wykorzystanie detektorów SQUID w zjawisku jądrowego rezonansu kwadrupolowego NADPRZEWODNIKOWA ELEKTRONIKA CYFROWA RSFQ Wprowadzenie Złącze Josephsona jako element przełączający Układy cyfrowe ze złączami Josephsona Komórka pamięci dynamicznej SFQ Impuls pojedynczego kwantu strumienia magnetycznego Linia transmisyjna Josephsona Układy sterujące impulsami SFQ Przerzutnik bistabilny RSFQ Bramki logiczne Josephsona Zastosowania nadprzewodnikowych układów cyfrowych Przetwornik analogowo-cyfrowy RSFQ Mikroprocesor nadprzewodnikowy RSFQ Układy przełączników sieciowych RSFQ Nadprzewodnikowe oscylatory w rozbudowanych układach scalonych RSFQ Pamięć kriogeniczna CRAM Parametry nadprzewodnikowych układów cyfrowych Porównanie technologii nadprzewodnikowej RSFQ z półprzewodnikową TECHNOLOGIE WYTWARZANIA NADPRZEWODNIKOWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH Procesy wytwarzania cienkich warstw nadprzewodnikowych Technologia wytwarzania złącz tunelowych LTS Wytwarzanie złącz SIS na bazie niobu Wytwarzanie złącz tunelowych SIS na bazie ołowiu Wytwarzanie złącz SIS na bazie niobu w technologii wielowarstwowej Technologia wielowarstwowa SINIS Wytwarzanie struktury wielowarstwowej SQUID-u Technologia wielowarstwowa Nb/AlO x /Nb w układach RSFQ wielkiej skali integracji Technologie wytwarzania cienkich warstw HTS PodłoŜa cienkich warstw HTS Metody wytwarzania cienkich warstw HTS Złącza Josephsona HTS Wytwarzanie struktury wielowarstwowej SQUID-u w technologii HTS Wytwarzanie struktur nadprzewodnikowych układów cyfrowych w technologii HTS Zastosowanie dwuborku magnezu MgB 2 w układach RSFQ Porównanie technologii LTS i HTS w układach RSFQ OBLICZENIA KWANTOWE Z WYKORZYSTANIEM NADPRZEWODNIKÓW Wstęp do informatyki kwantowej Przetwarzanie i odtwarzanie informacji kwantowej Techniczna realizacja komputera kwantowego Kubit bit informacji kwantowej Zastosowania nadprzewodników w obliczeniach kwantowych Nadprzewodzące kubity typu charge, phase, flux Operacja identyczności w nadprzewodzącym kubicie typu flux 248

4 Spis treści Kodowanie kwantowe nadprzewodzącego kubitu Uniwersalny zbiór kwantowych bramek logicznych Adiabatyczny komputer kwantowy na bazie kubitów nadprzewodzących NADPRZEWODNIKOWE UKŁADY MIKROFALOWE Wprowadzenie Zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych w technice mikrofalowej Rezystancja powierzchniowa cienkich warstw HTS Technologia wytwarzania filtrów planarnych HTS Filtry planarne z nadprzewodnikow wysokotemperaturowych Nadprzewodnikowe filtry hybrydowe i duŝej mocy Zastosowania filtrów nadprzewodnikowych Projektowanie nadprzewodnikowych filtrów planarnych Nadprzewodnikowe linie opóźniające Analiza czasowa pasywnych układów mikrofalowych o duŝej dobroci Nadprzewodnikowe detektory promieniowania mikrofalowego CHŁODZENIE UKŁADÓW KRIOELEKTRONICZNYCH Wprowadzenie Układy chłodzenia kriogenicznego Kriochłodziarki mechaniczne Kriochłodziarki działające w cyklu pracy Stirlinga Kriochłodziarki działające w cyklu pracy Gifforda-McMahona Podsumowanie wiadomości o kriochłodziarkach mechanicznych Rury pulsacyjne pulse tube Kriochłodziarki i rury pulsacyjne w systemach chłodzenia układów krioelektronicznych Zintegrowane układy chłodzenia dla nadprzewodnikowych urządzeń elektronicznych Zintegrowany system zawierający przetwornik analogowo-cyfrowy RSFQ oraz dwustopniowy układ kriogenicznego chłodzenia LITERATURA LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA 320

5 8 Contents CONTENTS SYMBOLS LIST OF ABBREVIATIONS INTRODUCTION SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERCONDUCTING MATERIALS Historical overview of superconductivity Fundamental definitions of superconductivity Superconducting materials LTS wires Nb-Ti, Nb 3 Sn HTS wires Bi-2212, Bi-2223, Y Construction and applications of electric superconducting devices QUANTUM PHENOMENA IN SUPERCONDUCTING ELECTRONICS Magnetic flux quantization in superconductors Josephson effect Josephson equations Josephson junction RCSJ model of Josephson Junction Josephson DC effect Josephson AC effect SUPERCONDUCTING QUANTUM INTERFERENCE DEVICES SQUID Superconducting Quantum Interference Device DC superconducting quantum interference device RF superconducting quantum interference device DC-SQUID input circuit Integrated DC-SQUID detectors Parameters of superconducting quantum interference device SQUID MEASUREMENT SYSTEMS Superconducting flux transformers DC-SQUID measurement system RF-SQUID measurement system Two stage DC-SQUID measurement system DC-SQUID circuit in the flux-locked loop configuration DC-SQUID circuit based on the flux modulation scheme Relaxation oscillation SQUID measurement system Digital SQUID measurement system Commercial SQUID systems THE APPLICATIONS OF THE SUPERCONDUCTING QUANTUM INTERFERENCE DEVICES Weak magnetic fields measurement Applications of SQUID detectors in biomedical engineering Magnetic field generated by biocurrents Direction in biomagnetic research using SQUID sensors Magnetocardiography Magnetoencephalography

6 Contents Magnetic measurements of magnetic tissue Use of SQUID detectors in other methods of biomagnetic measurements Applications of SQUID-s to nondestructive evaluation HTS SQUID system for geophysical prospection Applications of superconducting electronics in metrology Introduction to quantum metrology Quantum voltage standard SQUID femtovoltmeter Cryogenic current comparator Quantum metrological triangle Noise thermometer Scanning SQUID microscopy Use of SQUID in nuclear quadrupole resonance SUPERCONDUCTING DIGITAL ELECTRONICS RSFQ Introduction Josephson junction as a switching element Josephson junction digital circuits Dynamic SFQ memory cell Single flux quantum pulse Josephson transmission line SFQ pulse control circuits RSFQ bistable multivibrator Josephson logic gates Applications of superconducting digital circuits RSFQ analog-to-digital converter Superconducting RSFQ microprocessor RSFQ network switch Superconducting on-chip clock for large-scale RSFQ circuits Cryogenic memory CRAM Parameters of superconducting digital circuits Comparison of superconducting and semiconducting digital electronics FABRICATION OF SUPERCONDUCTING DIGITAL ELECTRONICS CIRCUITS Fabrication of superconducting thin film Fabrication of LTS tunnel junctions Fabrication of niobium SIS junctions Fabrication of SIS tunnel junctions using lead Fabrication of niobium SIS junctions in multilayer technology SINIS multilayer technology Fabrication of multilayer SQUID device Nb/AlO x /Nb multilayer process for realizing integrated large-scale RSFQ circuits Fabrication of HTS thin film HTS thin film substrats HTS thin film fabrication methods HTS Josephson junction HTS SQUID multilayer fabrication process Fabrication of superconducting digital electronics circuits in HTS technology Application of magnesium diboride MgB 2 in RSFQ circuits Comparison of LTS and HTS digital electronics circuits SUPERCONDUCTING QUANTUM COMPUTING Introduction to quantum informatics Processing and readout of quantum information Technical realization of quantum computer Qubit quantum bit Applications of superconductors in quantum computation Superconducting charge, phase, flux qubits Identicalness operation in superconducting flux qubit

7 10 Contents 9.8. Quantum coding of superconducting qubits Universal set of quantum logic gates Adiabatic quantum computer based on the superconducting qubits SUPERCONDUCTING MICROWAVE CIRCUITS Introduction Applications of high temperature superconductors in microwave technique Surface resistance of HTS thin films Fabrication of HTS planar filters HTS planar filters Hybrid and high power superconducting filters Applications of superconducting filters Designing of superconducting planar filters Superconducting delay lines Time analysis of passive high Q factor microwave circuits Superconducting microwave detectors COOLING OF CRYOELECTRONICS SYSTEMS Introduction Cryogenic cooling systems Mechanical cryocoolers Stirling cycle cryocoolers Gifford-McMahon cycle cryocoolers Summary of information on mechanical cryocoolers Pulse tube Cryocoolers and pulse tubes in cooling systems of cryoelectronics circuits Integrated cooling system for superconducting electronic devices Integrated system of superconducting analog-to-digital converter and two-stage cryocooler LITERATURE SUPPLEMENTARY LITERATURE