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中国电子科学研究院学报 2019年第5期14卷 497-501页

作者：段可欣中国电子科技集团公司第三十九研究所陕西省天线与控制技术重点实验室

约瑟夫森结是一种对磁通高度敏感的电子元器件。约瑟夫森结加上适当的辅助电路可构成许多测量器件。本文对约瑟夫森结的特性和由其构成的微波QUBIT的种类及性质进行了阐述,对于在微波量子探测领域的应用方案进行了初步的设想。

关键词：约瑟夫森效应约瑟夫森结超导QUBIT

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TiN基约瑟夫森结低维结构的设计与制备

TiN基约瑟夫森结低维结构的设计与制备

作者：陈卫中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

学位级别：硕士

超导量子计算是实现通用量子计算的重要路径之一,其基本信息单元为超导量子比特。作为一种人造量子比特,超导量子比特主要由超导约瑟夫森结和超导电容、电感等超导电路组成,其中约瑟夫森结是其核心元器件。与约瑟夫森结的传统超导材料铝... 详细信息

超导量子计算是实现通用量子计算的重要路径之一,其基本信息单元为超导量子比特。作为一种人造量子比特,超导量子比特主要由超导约瑟夫森结和超导电容、电感等超导电路组成,其中约瑟夫森结是其核心元器件。与约瑟夫森结的传统超导材料铝(Al)膜相比,氮化钛(TiN)拥有更高的超导临界温度、更长的退相干时间以及更小的微波损耗,是制备长寿命超导量子比特的理想材料。然而,作为一种难熔金属陶瓷,高质量TiN的制备条件极其苛刻,阻碍了其相关研究。面向下一代超导量子比特的设计,本论文聚焦新型约瑟夫森结的超导层材料与绝缘层材料,开展了系统性研究,初步实现了 TiN基约瑟夫森结低维结构的设计与制备。首先,建立了高质量TiN单晶薄膜的外延生长方法。基于自主研制的溅射外延生长设备,本论文系统研究了生长气压与溅射间距对薄膜质量的影响规律。发现,不同生长气压下,虽然薄膜都是共格外延生长,但是低气压生长时,薄膜中存在二阶杂相。生长气压为0.02 Torr时,薄膜的各项综合性能最优,具有高超导临界温度、高结晶性、低表面粗糙度。另外,本论文也系统研究了溅射间距对薄膜质量的影响,结果表明溅射间距对TiN薄膜的晶体结构影响较小。其次,通过多步掩膜生长法,成功制备了高质量TiN基约瑟夫森结低维结构。本论文通过系统研究面心立方相Ti薄膜、岩盐相Ti Ox薄膜和立方尖晶石相氮氧化铝(AlON)薄膜与TiN薄膜的生长兼容性,发现立方尖晶石相ALON薄膜为理想的TiN基约瑟夫森结绝缘层材料。在此基础上,通过合理设计多步掩膜生长工艺,本论文分别在MgO(001)和Al2O3(0001)衬底上制备了高质量TiN/AlON/TiN约瑟夫森结低维结构。结果显示两个衬底上的TiN/AlON/TiN多层膜均为单一晶体取向,高分辨X射线衍射测量表明该约瑟夫森结具有平滑的表面和明锐的界面。更为重要的是,通过低温电输运测量,观察到了台阶状的超导隧穿电流,表明该新型约瑟夫森结初步具备了制备超导量子比特的物理性质。

关键词：约瑟夫森结氮化钛氮氧化铝超导电性溅射外延

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SNS约瑟夫森结的制备及其特性研究

SNS约瑟夫森结的制备及其特性研究

作者：郭小玮青岛大学

学位级别：硕士

随着科技水平及工农业的快速发展,人类的生产生活需求对计量基准提出了更高的要求。传统的电压实物基准受到制作工艺、使用材料和技术条件的限制,具有很多缺陷。为解决这一问题,科研界尝试将量子物理学的成就应用到计量基准领域,以建立... 详细信息

随着科技水平及工农业的快速发展,人类的生产生活需求对计量基准提出了更高的要求。传统的电压实物基准受到制作工艺、使用材料和技术条件的限制,具有很多缺陷。为解决这一问题,科研界尝试将量子物理学的成就应用到计量基准领域,以建立高准确度、高复现性的量子电压基准。以约瑟夫森效应为基础的量子电压基准以高精确度、高稳定性和外界干扰小等特性迅速成为研究的热点。本文主要研究了结构为Nb/NbxSi1-x/Nb （SNS）的可编程约瑟夫森单结的制作工艺和其电流-电压特性曲线。确定具体的制作工艺条件。首先,经过调研与实验对比,在沉积薄膜环节寻找最佳的薄膜溅射功率、溅射气压和衬底温度等条件,使制作出的超导膜超导转变温度高、应力较小、常温电阻和超导转变点电阻之比大于3;其次,确定合适的光刻、刻蚀、剥离等环节的条件,使实验得到的单结结区边缘清晰整齐、周围的Si02绝缘层绝缘效果良好;最后,设计满足要求的可编程约瑟夫森结结区尺寸大小。搭建低温测试平台。为满足动态采集数据的要求,使用LabVIEW软件对测试数据进行实时采集;为提高测量准确度,测量过程中采用四端引线接法测量样品电阻,以减少引线电阻和接触电阻对测量带来的影响;为确保测试过程中外界温度与所测样品温度的一致性,低温探杆的头部采用导热性好的紫铜材料。测量约瑟夫森单结的电流-电压曲线。通过示波器观测到了清晰的超导隧穿电流和从无电压态向有电压态的跳变的电流-电压特性曲线,说明实验制备的SNS型可编程约瑟夫森结满足实验要求。

关键词：电压基准约瑟夫森结制备工艺测试平台

双环掺铒光纤激光器的斑图与约瑟夫森结的网络同步

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双环掺铒光纤激光器的斑图与约瑟夫森结的网络同步

作者：王时野辽宁师范大学

学位级别：硕士

在自然界和日常生活中,存在着大量的斑图和网络现象,它们是非线性领域的重要组成部分。光学混沌斑图和光学混沌网络的应用也十分广泛,因此对光学斑图和网络的研究,有着重要的意义。本论文的主要工作有:首先,研究了双环掺铒光纤激光器阵... 详细信息

在自然界和日常生活中,存在着大量的斑图和网络现象,它们是非线性领域的重要组成部分。光学混沌斑图和光学混沌网络的应用也十分广泛,因此对光学斑图和网络的研究,有着重要的意义。本论文的主要工作有:首先,研究了双环掺铒光纤激光器阵列的斑图特性。采用的是耦合映像格子的方法,但边界条件设定为周期性的变化。讨论了耦合系数、格点数目、边界的周期等对斑图的影响。结果显示:增加格点数、增大耦合系数和改变边界的周期数,斑图都发生了较大的变化,且变化十分丰富。其次,研究了以约瑟夫森结为网络节点的星形网络的同步。通过对状态方程的线性、非线性项分离,并利用非线性项耦合的方法,以及对参数的合理选取,实现了由10个约瑟夫森结为节点的星形耦合网络的同步。数值模拟结果表明:状态变量随时间的演化很快的达到同步,系统误差很快地趋近于零,同步时间t=25 s。双环掺铒光纤激光器超混沌阵列的斑图研究以及约瑟夫森结的网络同步探究,对激光器的应用和一些高性能的约瑟夫森结器件制作提供了较好的参考价值。

关键词：双环掺铒光纤激光器混沌斑图特性周期边界约瑟夫森结星形网络同步

时滞耦合约瑟夫森结阵列系统中的复杂动力学行为

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时滞耦合约瑟夫森结阵列系统中的复杂动力学行为

作者：陈文冰深圳大学

学位级别：硕士

约瑟夫森结是一种高度非线性的超导电子器件,具有广泛的应用前景。为了克服单结器件的输出功率小、耦合效率低等问题,可将多个约瑟夫森结用传输线连接成阵列器件。当阵列中的所有约瑟夫森结处于锁相状态时,阵列器件的输出功率最大。在... 详细信息

约瑟夫森结是一种高度非线性的超导电子器件,具有广泛的应用前景。为了克服单结器件的输出功率小、耦合效率低等问题,可将多个约瑟夫森结用传输线连接成阵列器件。当阵列中的所有约瑟夫森结处于锁相状态时,阵列器件的输出功率最大。在实际利用传输线构建约瑟夫森结阵列时,结内和结间能量的输运通常需要时间来完成,这就有可能导致时滞现象的出现。因此研究时滞效应对单个约瑟夫森结及约瑟夫森结阵列的影响是具有重要意义的。本文主要研究时滞耦合约瑟夫森结阵列系统中的振荡消失现象及复杂时空动力学行为,包括非时滞及时滞耦合含时滞约瑟夫森结阵列系统的时空特性及破碎螺旋波控制。首先,以已有约瑟夫森结等效电路模型为基础,通过适当引入时滞项,构建含时滞约瑟夫森结模型,包括电阻电容分路型、电阻电容电感分路型的含时滞约瑟夫森结等效电路模型。其次,通过共轭时滞变量耦合作用构建一维时滞耦合含时滞约瑟夫森结阵列,从理论上解析确定系统发生振荡消失的条件,并用数值计算和电路模拟实验进行验证,该研究结果能够有效防止系统失去输出信号,对于阵列器件的设计和制备具实际且重要的意义。最后,分别以已有非时滞和含时滞约瑟夫森结等效电路模型为元胞,通过非时滞耦合作用和时滞耦合作用构建二维约瑟夫森结阵列系统,在不同边界条件(包括零流边界、周期边界、固定边界条件),不同参量条件(包括耦合强度和耦合项延迟时间),不同耦合方式(包括空间最近邻耦合、随机耦合及小世界复杂网络耦合)、不同外场条件(包括恒定电场、随空间、时间变化的外电场)条件下,发现二维耦合阵列系统中存在极为丰富且复杂的时空动力学行为,其中包括时空混沌态、点状斑图、破碎螺旋波斑图、迷宫斑图等。利用自相似波形方法控制二维耦合阵列系统中的破碎螺旋波现象,所得数值结果验证了上述控制方法的有效性。

关键词：约瑟夫森结等效电路模型时滞耦合振荡消失时空动力学行为

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基于约瑟夫森结的毫米波混频技术研究

基于约瑟夫森结的毫米波混频技术研究

作者：陈欢欢电子科技大学

学位级别：硕士

随着通信技术的发展,新一代的通信频段已经覆盖到毫米波的范围。因具有方向性好、波束窄、可靠性高等优势,毫米波已经在无线通信技术上显露出极高的研究价值和应用前景。在毫米波无线通信系统中,常规的无源或有源混频器存在着噪声高、... 详细信息

随着通信技术的发展,新一代的通信频段已经覆盖到毫米波的范围。因具有方向性好、波束窄、可靠性高等优势,毫米波已经在无线通信技术上显露出极高的研究价值和应用前景。在毫米波无线通信系统中,常规的无源或有源混频器存在着噪声高、效率低和变频损耗高等问题,制约着毫米波通信技术向着高增益、低噪声和低本振功率的方向发展。超导约瑟夫森结(Josephson Junctions,JJ)在进入超导态后具有极高的非线性,同时兼具灵敏度高、噪声低等优点,是制备混频器的理想元件。本文在对约瑟夫森效应和超导结研究的基础上,设计并制备出基于约瑟夫森结的毫米波混频系统,其中射频频率为33～35GHz,本振频率为31GHz,中频频率为2～4GHz,并利用实验室现有设备,搭建出完整的测试系统,进行实验研究和理论计算。在理论方面,本文从混频器的基础原理进行切入,逐一分析混频器的主要指标,着重介绍了混频器的变频损耗、效率和噪声系数。此外,还分析了无源、有源和超导混频器的优缺点,对比后突出了超导约瑟夫森结混频器在毫米波通信上的优势。最后,对约瑟夫森结的基础理论进行了介绍,包括约瑟夫森效应、方程及等效电路模型。在混频系统研制方面,本文先对约瑟夫森结的制备工艺进行了选型,然后根据结的基础理论确定可行的系统方案。随后通过电磁仿真软件设计了一套基于超导结的混频系统及其改进方案。初步方案通过收发天线组完成对约瑟夫森结的辐照与接收,其余电路分布在结的两侧;改进方案是以同轴、微带的传输方式,将信号馈入到结内进行混频,降低了加工、测量难度,使电路可重复使用。在加工和组装完成之后,利用实验室的矢网、频率源、低温真空平台等设备搭建出测试系统,对每个模块进行单独测试,然后进行整体性测试。在20K低温环境下,测试了临界电流为100u A的约瑟夫森结。当本振功率设定为-25d Bm时,测得最小变频损耗和最小噪声系数分别为11.45d B和6.39d B,初步验证了结的非线性。

关键词：高温超导毫米波约瑟夫森结混频器噪声系数

约瑟夫森结的电路模型及其在超导电子学中的应用

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中国电子科学研究院学报 2010年第5期5卷 476-480页

作者：沙宏泉王争周铁戈赵新杰方兰阎少林南开大学信息技术科学学院天津300071

为方便约瑟夫森结及其相关电路的仿真研究,根据约瑟夫森方程首次提出了约瑟夫森结的电路模型,给出了具体的电路原理图,并进行了封装。利用这个模型可以对约瑟夫森结的相关特性进行深入系统的仿真研究,这样不必自己编写程序对系统的微分... 详细信息

为方便约瑟夫森结及其相关电路的仿真研究,根据约瑟夫森方程首次提出了约瑟夫森结的电路模型,给出了具体的电路原理图,并进行了封装。利用这个模型可以对约瑟夫森结的相关特性进行深入系统的仿真研究,这样不必自己编写程序对系统的微分方程进行数值求解,大大提高了工作效率。利用这个模型,对约瑟夫森结的混沌行为、相位锁定特性、RSFQ电路和SQUID进行了研究,结果说明了模型的正确性和实用性,模型的建立对于促进超导器件的相关研究具有一定意义。

关键词：约瑟夫森结电路模型混沌行为 RSFQ电路相位锁定 SQUID