WYDAWNICTWA KSIĄśKOWE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI ELEKTRONIKA NADPRZEWODNIKOWA Łukasz Adamczyk Tadeusz Janowski Warszawa 2011
Spis treści 5 SPIS TREŚCI WYKAZ OZNACZEŃ.....11 WYKAZ SKRÓTÓW......17 1. WPROWADZENIE......20 2. NADPRZEWODNICTWO I MATERIAŁY NADPRZEWODNIKOWE.....23 2.1. Rys historyczny nadprzewodnictwa.......23 2.2. Podstawowe pojęcia w nadprzewodnictwie.....32 2.3. Materiały nadprzewodnikowe.......33 2.3.1. Przewody LTS Nb-Ti, Nb 3 Sn....35 2.3.2. Przewody HTS Bi-2212, Bi-2223, Y-123..37 2.4. Budowa i zastosowania elektrycznych urządzeń nadprzewodnikowych.....39 3. ZJAWISKA KWANTOWE W ELEKTRONICE NADPRZEWODNIKOWEJ..46 3.1. Kwantowanie strumienia magnetycznego w nadprzewodniku......46 3.2. Zjawisko Josephsona........48 3.3. Równania Josephsona.....49 3.4. Złącze Josephsona.....53 3.5. Model zastępczy (RCSJ) złącza Josephsona.....55 3.6. Stałoprądowe zjawisko Josephsona.....56 3.7. Zmiennoprądowe zjawisko Josephsona..58 4. NADPRZEWODNIKOWE INTERFEROMETRY KWANTOWE.......60 4.1. SQUID nadprzewodnikowy interferometr kwantowy...60 4.2. Nadprzewodnikowy interferometr kwantowy DC-SQUID.....61 4.3. Nadprzewodnikowy interferometr kwantowy RF-SQUID...69 4.4. Obwód wejściowy DC-SQUID-u......75 4.5. Scalone detektory DC-SQUID.....77 4.6. Parametry nadprzewodnikowych interferometrów kwantowych..79 5. SYSTEMY POMIAROWE SQUID.....85 5.1. Nadprzewodnikowe transformatory strumienia magnetycznego..85 5.2. System pomiarowy z DC-SQUID-em.....91 5.3. System pomiarowy z RF-SQUID-em....93 5.4. Dwustopniowy system pomiarowy DC-SQUID...95 5.5. Układ DC-SQUID z zamkniętą pętlą magnetyczną ujemnego sprzęŝenia zwrotnego 100 5.6. Układ DC-SQUID z modulacją strumienia magnetycznego 101 5.7. System pomiarowy DC-SQUID w układzie z generatorem relaksacyjnym. 104 5.8. Cyfrowy system pomiarowy SQUID 105 5.9. Systemy pomiarowe SQUID oferowane komercyjnie 107 6. ZASTOSOWANIA NADPRZEWODNIKOWYCH INTERFEROMETRÓW KWANTOWYCH... 111 6.1. Pomiary słabych pół magnetycznych.. 111 6.2. Zastosowania detektorów SQUID w inŝynierii biomedycznej... 117 6.2.1. Pole magnetyczne wywołane bioprądami 117 6.2.2. Kierunki w badaniach biomagnetycznych z wykorzystaniem czujników SQUID... 118 6.2.3. Magnetokardiografia 123 6.2.4. Magnetoencefalografia 130 6.2.5. Pomiary magnetyczne tkanek podmagnesowanych 134
6 Spis treści 6.2.6. Inne metody badawcze wykorzystujące detektory SQUID.. 139 6.3. Zastosowania SQUID-ów w badaniach nieniszczących materiałów 141 6.4. System HTS SQUID do badań geofizycznych 144 6.5. Zastosowania elektroniki nadprzewodnikowej w metrologii.... 148 6.5.1. Wstęp do metrologii kwantowej.. 148 6.5.2. Kwantowy wzorzec napięcia elektrycznego... 149 6.5.3. Femtowoltomierz SQUID-owy. 153 6.5.4. Kriogeniczny komparator prądowy. 155 6.5.5. Kwantowy trójkąt metrologiczny. 158 6.5.6. Termometr szumowy.. 160 6.6. Skaningowy mikroskop SQUID-owy 161 6.7. Wykorzystanie detektorów SQUID w zjawisku jądrowego rezonansu kwadrupolowego 164 7. NADPRZEWODNIKOWA ELEKTRONIKA CYFROWA RSFQ 168 7.1. Wprowadzenie 168 7.2. Złącze Josephsona jako element przełączający... 170 7.3. Układy cyfrowe ze złączami Josephsona.... 172 7.4. Komórka pamięci dynamicznej SFQ 176 7.5. Impuls pojedynczego kwantu strumienia magnetycznego.. 180 7.6. Linia transmisyjna Josephsona... 181 7.7. Układy sterujące impulsami SFQ. 182 7.8. Przerzutnik bistabilny RSFQ 183 7.9. Bramki logiczne Josephsona 185 7.10. Zastosowania nadprzewodnikowych układów cyfrowych... 187 7.10.1. Przetwornik analogowo-cyfrowy RSFQ 188 7.10.2. Mikroprocesor nadprzewodnikowy RSFQ... 191 7.10.3. Układy przełączników sieciowych RSFQ 194 7.10.4. Nadprzewodnikowe oscylatory w rozbudowanych układach scalonych RSFQ 197 7.10.5. Pamięć kriogeniczna CRAM 199 7.11. Parametry nadprzewodnikowych układów cyfrowych 200 7.12. Porównanie technologii nadprzewodnikowej RSFQ z półprzewodnikową 201 8. TECHNOLOGIE WYTWARZANIA NADPRZEWODNIKOWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH... 204 8.1. Procesy wytwarzania cienkich warstw nadprzewodnikowych 204 8.2. Technologia wytwarzania złącz tunelowych LTS 205 8.2.1. Wytwarzanie złącz SIS na bazie niobu.. 207 8.2.2. Wytwarzanie złącz tunelowych SIS na bazie ołowiu. 209 8.2.3. Wytwarzanie złącz SIS na bazie niobu w technologii wielowarstwowej... 210 8.2.4. Technologia wielowarstwowa SINIS... 211 8.3. Wytwarzanie struktury wielowarstwowej SQUID-u 212 8.4. Technologia wielowarstwowa Nb/AlO x /Nb w układach RSFQ wielkiej skali integracji. 215 8.5. Technologie wytwarzania cienkich warstw HTS 218 8.5.1. PodłoŜa cienkich warstw HTS 218 8.5.2. Metody wytwarzania cienkich warstw HTS 221 8.5.3. Złącza Josephsona HTS 225 8.6. Wytwarzanie struktury wielowarstwowej SQUID-u w technologii HTS 227 8.7. Wytwarzanie struktur nadprzewodnikowych układów cyfrowych w technologii HTS 230 8.8. Zastosowanie dwuborku magnezu MgB 2 w układach RSFQ. 232 8.9. Porównanie technologii LTS i HTS w układach RSFQ.. 233 9. OBLICZENIA KWANTOWE Z WYKORZYSTANIEM NADPRZEWODNIKÓW... 235 9.1. Wstęp do informatyki kwantowej 235 9.2. Przetwarzanie i odtwarzanie informacji kwantowej 237 9.3. Techniczna realizacja komputera kwantowego.. 239 9.4. Kubit bit informacji kwantowej 241 9.5. Zastosowania nadprzewodników w obliczeniach kwantowych.. 244 9.6. Nadprzewodzące kubity typu charge, phase, flux 246 9.7. Operacja identyczności w nadprzewodzącym kubicie typu flux 248
Spis treści 7 9.8. Kodowanie kwantowe nadprzewodzącego kubitu 249 9.9. Uniwersalny zbiór kwantowych bramek logicznych 252 9.10. Adiabatyczny komputer kwantowy na bazie kubitów nadprzewodzących 257 10. NADPRZEWODNIKOWE UKŁADY MIKROFALOWE. 260 10.1.Wprowadzenie 260 10.2. Zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych w technice mikrofalowej 262 10.3. Rezystancja powierzchniowa cienkich warstw HTS 264 10.4. Technologia wytwarzania filtrów planarnych HTS 267 10.5. Filtry planarne z nadprzewodnikow wysokotemperaturowych 271 10.6. Nadprzewodnikowe filtry hybrydowe i duŝej mocy. 276 10.7. Zastosowania filtrów nadprzewodnikowych 277 10.8. Projektowanie nadprzewodnikowych filtrów planarnych. 281 10.9. Nadprzewodnikowe linie opóźniające 283 10.10. Analiza czasowa pasywnych układów mikrofalowych o duŝej dobroci 287 10.11. Nadprzewodnikowe detektory promieniowania mikrofalowego 289 11. CHŁODZENIE UKŁADÓW KRIOELEKTRONICZNYCH... 293 11.1. Wprowadzenie 293 11.2. Układy chłodzenia kriogenicznego. 294 11.3. Kriochłodziarki mechaniczne... 295 11.3.1. Kriochłodziarki działające w cyklu pracy Stirlinga... 297 11.3.2. Kriochłodziarki działające w cyklu pracy Gifforda-McMahona 299 11.3.3. Podsumowanie wiadomości o kriochłodziarkach mechanicznych... 302 11.4. Rury pulsacyjne pulse tube. 303 11.5. Kriochłodziarki i rury pulsacyjne w systemach chłodzenia układów krioelektronicznych 304 11.6. Zintegrowane układy chłodzenia dla nadprzewodnikowych urządzeń elektronicznych 306 11.7. Zintegrowany system zawierający przetwornik analogowo-cyfrowy RSFQ oraz dwustopniowy układ kriogenicznego chłodzenia.. 307 LITERATURA... 310 LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA 320
8 Contents CONTENTS SYMBOLS........11 LIST OF ABBREVIATIONS......17 1. INTRODUCTION......20 2. SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERCONDUCTING MATERIALS.......23 2.1. Historical overview of superconductivity..........23 2.2. Fundamental definitions of superconductivity.....32 2.3. Superconducting materials.....33 2.3.1. LTS wires Nb-Ti, Nb 3 Sn....35 2.3.2. HTS wires Bi-2212, Bi-2223, Y-123...37 2.4. Construction and applications of electric superconducting devices...39 3. QUANTUM PHENOMENA IN SUPERCONDUCTING ELECTRONICS..46 3.1. Magnetic flux quantization in superconductors....46 3.2. Josephson effect........48 3.3. Josephson equations.....49 3.4. Josephson junction....53 3.5. RCSJ model of Josephson Junction....55 3.6. Josephson DC effect......56 3.7. Josephson AC effect..58 4. SUPERCONDUCTING QUANTUM INTERFERENCE DEVICES......60 4.1. SQUID Superconducting Quantum Interference Device.......60 4.2. DC superconducting quantum interference device......61 4.3. RF superconducting quantum interference device.....69 4.4. DC-SQUID input circuit...75 4.5. Integrated DC-SQUID detectors...77 4.6. Parameters of superconducting quantum interference device..79 5. SQUID MEASUREMENT SYSTEMS........85 5.1 Superconducting flux transformers..85 5.2. DC-SQUID measurement system...91 5.3. RF-SQUID measurement system...93 5.4. Two stage DC-SQUID measurement system...95 5.5. DC-SQUID circuit in the flux-locked loop configuration 100 5.6. DC-SQUID circuit based on the flux modulation scheme 101 5.7. Relaxation oscillation SQUID measurement system. 104 5.8. Digital SQUID measurement system. 105 5.9. Commercial SQUID systems.. 107 6. THE APPLICATIONS OF THE SUPERCONDUCTING QUANTUM INTERFERENCE DEVICES. 111 6.1. Weak magnetic fields measurement.... 111 6.2. Applications of SQUID detectors in biomedical engineering...... 117 6.2.1. Magnetic field generated by biocurrents... 117 6.2.2. Direction in biomagnetic research using SQUID sensors 118 6.2.3. Magnetocardiography 123 6.2.4. Magnetoencephalography... 130
Contents 9 6.2.5. Magnetic measurements of magnetic tissue. 134 6.2.6. Use of SQUID detectors in other methods of biomagnetic measurements.... 139 6.3. Applications of SQUID-s to nondestructive evaluation.. 141 6.4. HTS SQUID system for geophysical prospection.. 144 6.5. Applications of superconducting electronics in metrology. 148 6.5.1. Introduction to quantum metrology.. 148 6.5.2. Quantum voltage standard.. 149 6.5.3. SQUID femtovoltmeter. 153 6.5.4. Cryogenic current comparator. 155 6.5.5. Quantum metrological triangle. 158 6.5.6. Noise thermometer.. 160 6.6. Scanning SQUID microscopy 161 6.7. Use of SQUID in nuclear quadrupole resonance.. 164 7. SUPERCONDUCTING DIGITAL ELECTRONICS RSFQ.. 168 7.1. Introduction 168 7.2. Josephson junction as a switching element..... 170 7.3. Josephson junction digital circuits...... 172 7.4. Dynamic SFQ memory cell.. 176 7.5. Single flux quantum pulse.... 180 7.6. Josephson transmission line. 181 7.7. SFQ pulse control circuits 182 7.8. RSFQ bistable multivibrator. 183 7.9. Josephson logic gates... 185 7.10. Applications of superconducting digital circuits... 187 7.10.1. RSFQ analog-to-digital converter.. 188 7.10.2. Superconducting RSFQ microprocessor...... 191 7.10.3. RSFQ network switch.. 194 7.10.4. Superconducting on-chip clock for large-scale RSFQ circuits.. 197 7.10.5. Cryogenic memory CRAM 199 7.11. Parameters of superconducting digital circuits. 200 7.12. Comparison of superconducting and semiconducting digital electronics.. 201 8. FABRICATION OF SUPERCONDUCTING DIGITAL ELECTRONICS CIRCUITS..... 204 8.1. Fabrication of superconducting thin film. 204 8.2. Fabrication of LTS tunnel junctions. 205 8.2.1. Fabrication of niobium SIS junctions.... 207 8.2.2. Fabrication of SIS tunnel junctions using lead... 209 8.2.3. Fabrication of niobium SIS junctions in multilayer technology.... 210 8.2.4. SINIS multilayer technology.. 211 8.3. Fabrication of multilayer SQUID device.. 212 8.4. Nb/AlO x /Nb multilayer process for realizing integrated large-scale RSFQ circuits... 215 8.5. Fabrication of HTS thin film 218 8.5.1. HTS thin film substrats... 218 8.5.2. HTS thin film fabrication methods.. 221 8.5.3. HTS Josephson junction.. 225 8.6. HTS SQUID multilayer fabrication process 227 8.7. Fabrication of superconducting digital electronics circuits in HTS technology... 230 8.8. Application of magnesium diboride MgB 2 in RSFQ circuits.. 232 8.9. Comparison of LTS and HTS digital electronics circuits.. 233 9. SUPERCONDUCTING QUANTUM COMPUTING.... 235 9.1. Introduction to quantum informatics.. 235 9.2. Processing and readout of quantum information. 237 9.3. Technical realization of quantum computer.... 239 9.4. Qubit quantum bit. 241 9.5. Applications of superconductors in quantum computation..... 244 9.6. Superconducting charge, phase, flux qubits. 246 9.7. Identicalness operation in superconducting flux qubit... 248
10 Contents 9.8. Quantum coding of superconducting qubits.. 249 9.9. Universal set of quantum logic gates...... 252 9.10. Adiabatic quantum computer based on the superconducting qubits.. 257 10. SUPERCONDUCTING MICROWAVE CIRCUITS.. 260 10.1. Introduction 260 10.2. Applications of high temperature superconductors in microwave technique... 262 10.3. Surface resistance of HTS thin films. 264 10.4. Fabrication of HTS planar filters. 267 10.5. HTS planar filters.. 271 10.6. Hybrid and high power superconducting filters... 276 10.7. Applications of superconducting filters... 277 10.8. Designing of superconducting planar filters.... 281 10.9. Superconducting delay lines... 283 10.10. Time analysis of passive high Q factor microwave circuits 287 10.11. Superconducting microwave detectors 289 11. COOLING OF CRYOELECTRONICS SYSTEMS...... 293 11.1. Introduction. 293 11.2. Cryogenic cooling systems... 294 11.3. Mechanical cryocoolers. 295 11.3.1. Stirling cycle cryocoolers... 297 11.3.2. Gifford-McMahon cycle cryocoolers...... 299 11.3.3. Summary of information on mechanical cryocoolers 302 11.4. Pulse tube...... 303 11.5. Cryocoolers and pulse tubes in cooling systems of cryoelectronics circuits 304 11.6. Integrated cooling system for superconducting electronic devices 306 11.7. Integrated system of superconducting analog-to-digital converter and two-stage cryocooler..... 307 LITERATURE... 310 SUPPLEMENTARY LITERATURE... 320