王曾敏, 李紅暉, 廖福劍, 賈正森, 徐 晴,田正其, 段梅梅, 王 磊

(1. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029； 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，江蘇 南京 2100191)

1 引 言

現(xiàn)代社會(huì)高度電氣化,科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)都離不開電學(xué)的各種應(yīng)用。大部分的非電被測(cè)量,如機(jī)械量、化學(xué)量、生物量、力學(xué)量等,均通過一定的變換手段轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸和測(cè)量。2019年5月20日起,重新定義的國(guó)際單位制(SI)正式實(shí)施。在新的國(guó)際單位制體系中,電學(xué)量是應(yīng)用范圍最廣的物理量。由于約瑟夫森常數(shù)KJ=2e/h,新SI定義使約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)真正的SI單位,成為無誤差電學(xué)單位。

近年來,量子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用呈現(xiàn)加速趨勢(shì),各國(guó)普遍關(guān)注和重視,我國(guó)對(duì)于量子技術(shù)的重視程度也進(jìn)一步提高。在量子測(cè)量領(lǐng)域,過去,絕大多數(shù)約瑟夫森量子電壓基標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)都采用液氦制冷方式,浸泡在液氦中的約瑟夫森結(jié)陣器件產(chǎn)生超導(dǎo)量子效應(yīng),注入微波后生成具有一定寬度的量子電壓臺(tái)階,產(chǎn)生具有10-10量級(jí)不確定度的高準(zhǔn)確度量子電壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。但受限于量子電壓基準(zhǔn)運(yùn)行環(huán)境的苛刻性、液氦使用成本高昂性、基準(zhǔn)裝置操作復(fù)雜性和體積龐大等特點(diǎn),目前我國(guó)只有包括中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在內(nèi)的極個(gè)別實(shí)驗(yàn)室配備了量子電壓基準(zhǔn)裝置[1～3],超高精度的量子精密測(cè)量方法難以普及。因此,基于小型制冷機(jī)的新一代免液氦量子電壓系統(tǒng)的研究迫在眉睫。

我國(guó)直流電壓測(cè)量體系仍主要依賴標(biāo)準(zhǔn)電池和固態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)物標(biāo)準(zhǔn),通常這些電壓實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)年變化一般為10-6～10-7量級(jí),且從最高等級(jí)的量子基準(zhǔn)到具體應(yīng)用場(chǎng)所,需經(jīng)過實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)多次測(cè)量和傳遞,準(zhǔn)確度大大降低。10-10量級(jí)直流量子電壓基準(zhǔn)的高精度輸出,傳遞到下一級(jí)實(shí)物電壓標(biāo)準(zhǔn)時(shí),電壓量值精度至少損失了3個(gè)數(shù)量級(jí),這在很大程度上影響了我國(guó)電學(xué)物理量的精密測(cè)量整體水平。

新SI單位制變革加速了扁平化新型測(cè)量方式的應(yīng)用,即通過采用基于量子效應(yīng)的測(cè)量方式,提供直接溯源至SI的校準(zhǔn)和測(cè)量能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量?jī)x器的現(xiàn)場(chǎng)和在線校準(zhǔn),從而大幅提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。近年來,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院開展了無液氦環(huán)境下量子電壓精密測(cè)量方法的相關(guān)研究[4,5],目標(biāo)是形成基于小型超低溫制冷的無需液氦的易維護(hù)、智能化、小型化量子電壓精密測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),在大幅降低運(yùn)行成本的同時(shí),還可有效降低量子電壓精密測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用門檻,通過推廣普及,可直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和在線校準(zhǔn),為應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)提供溯源鏈更短、速度更快、結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn)的可靠測(cè)量手段和更高端精準(zhǔn)的測(cè)量與溯源技術(shù),填補(bǔ)10-10量級(jí)量子電壓國(guó)家基準(zhǔn)與10-7量級(jí)實(shí)物電壓標(biāo)準(zhǔn)間3個(gè)數(shù)量級(jí)的空缺,提高我國(guó)電壓計(jì)量的整體水平。

2016年至今,項(xiàng)目組在國(guó)內(nèi)率先開展了無液氦量子電壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件——低溫恒溫系統(tǒng)的相關(guān)研究,建立了無液氦約瑟夫森的低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研制了用于無液氦量子電壓系統(tǒng)的低噪聲多通道結(jié)陣偏置電流源,初步搭建了基于2 V可編程結(jié)陣的無液氦量子電壓低溫平臺(tái),并在無液氦環(huán)境下開展了2 V結(jié)陣超導(dǎo)特性的相關(guān)研究、測(cè)試[4]和直流電壓量值傳遞實(shí)驗(yàn),取得了重要進(jìn)展。

2 總體設(shè)計(jì)方案

免液氦量子電壓系統(tǒng)利用制冷機(jī)和低溫恒溫器,為超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)陣(工作溫度4.2 K或10 K)提供低溫環(huán)境,使結(jié)陣受到微波照射時(shí),產(chǎn)生量化電壓臺(tái)階,系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。除了作為核心器件的可編程約瑟夫森結(jié)陣外,系統(tǒng)還包括:(1)制冷機(jī)及配套壓縮機(jī);(2)低溫恒溫器;(3)溫度控制模塊;(4)約瑟夫森結(jié)陣的偏置電流源,用于精確控制約瑟夫森結(jié)陣的輸出電壓;(5)為結(jié)陣提供微波的射頻微波模塊;(6)真空分子泵;(7)直流電壓精密測(cè)量系統(tǒng)等。其中(1)、(2)、(3)、(6)四部分構(gòu)成低溫恒溫系統(tǒng),(4)和(5)為約瑟夫森結(jié)陣激勵(lì)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

3 10 K約瑟夫森結(jié)陣

根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)[6],交流約瑟夫森電流與外加微波信號(hào)之間存在相互作用:如果用頻率為ftyp的微波輻照約瑟夫森結(jié),當(dāng)結(jié)的約瑟夫森頻率f等于ftyp的n次倍頻(n為整數(shù))時(shí),外加微波和結(jié)輻射的電磁波發(fā)生共振,在單個(gè)可編程約瑟夫森結(jié)的電流-電壓(I-V)特性上可以測(cè)得,恒壓電流隨n的改變呈現(xiàn)階梯效應(yīng),臺(tái)階出現(xiàn)在以下電壓處:

(1)

式中:e為電子電荷;h為普朗克常數(shù);KJ=2e/h為約瑟夫森常數(shù);ftyp為注入約瑟夫森結(jié)陣的微波頻率;n表示夏皮洛臺(tái)階的級(jí)數(shù)。當(dāng)n的取值為+1、0、-1時(shí),對(duì)應(yīng)的約瑟夫森結(jié)分別處于第1級(jí)夏皮洛臺(tái)階的正(P)、零(0)、負(fù)(N)偏置狀態(tài),對(duì)應(yīng)臺(tái)階的中心電流為IP、0和IN,ΔI表示臺(tái)階電流寬度(即量子電壓臺(tái)階寬度),見圖2。

日本國(guó)家計(jì)量研究院(National Metrology Institute of Japan,NMIJ)研制的2 V可編程約瑟夫森結(jié)陣[7,8],其約瑟夫森結(jié)陣共包含65 536個(gè)串聯(lián)約瑟夫森結(jié),這些結(jié)按2m劃分為子陣列(或子結(jié)陣),m為正整數(shù)(5≤m≤12),見第3.1節(jié)。每個(gè)串聯(lián)子陣列可以獨(dú)立選擇通入電流的大小,使此子陣列中的所有結(jié)同時(shí)輸出n=-1,n=0或n=1級(jí)臺(tái)階電壓,根據(jù)式(1),對(duì)于包含N(i)個(gè)串聯(lián)約瑟夫森結(jié)的第i段子陣列,輸出的量子電壓值Ui可由式(2)計(jì)算得到:

(2)

式中:i表示子陣列序號(hào);N(i)表示第i個(gè)子陣列包含約瑟夫森結(jié)的數(shù)量。

圖2 約瑟夫森結(jié)的交流I-V特性Fig.2 AC I-V curve of programable Josephson array

3.1 結(jié)陣結(jié)構(gòu)

本文選用NMIJ制備的NbN/TiN/NbN型可編程超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)陣,它是一種夾在普通金屬氮化鈦(TiN)和超導(dǎo)體氮化鈮(NbN)的電極之間的所謂SNS(Super-Normal-Super)型約瑟夫森結(jié),并且在電流-電壓特性中具有非磁滯現(xiàn)象。圖3顯示了該器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。約瑟夫森結(jié)尺寸為3 μm×3 μm,NbN頂部/底部電極厚度約為200 nm,TiN勢(shì)壘約為 10 nm,Pd電阻厚度約為50 nm。它的工作溫度為10 K左右[9]。

圖3 NMIJ制備的SNS型約瑟夫森結(jié)陣器件結(jié)構(gòu)橫截面圖Fig...3 Cross section of SNS Josephson junction array fabricated by NMIJ

與4 K的液氦溫度(絕對(duì)溫度)相比,NMIJ制備的NbN/TiN/NbN型高溫結(jié)陣在10～12 K的相對(duì)較高的工作溫度下工作[10]。根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)原理,當(dāng)微波頻率ftyp為16.087 6 GHz時(shí),每個(gè)約瑟夫森結(jié)陣可產(chǎn)生大約30 μV的量子電壓,約瑟夫森結(jié)陣為大規(guī)模串聯(lián)結(jié)陣,NMIJ制備的高溫結(jié)陣將65 536個(gè)約瑟夫森結(jié)集成在一個(gè)硅芯片上,并串聯(lián)連接,以獲得約2 V的量子電壓。NMIJ研制的約瑟夫森結(jié)陣的照片如圖4所示。

圖4 NMIJ制備的SNS型約瑟夫森結(jié)陣Fig...4 SNS Josephson junction array chip fabricated by NMIJ

圖5 NMIJ可編程約瑟夫森結(jié)陣的等效電路Fig...5 Equivalent circuit of NMIJ fabricated programmable Josephson array chip

圖5為該約瑟夫森結(jié)陣芯片的等效電路圖。SNS型約瑟夫森結(jié)位于微波帶狀線上,微波電流由約瑟夫森結(jié)陣激勵(lì)系統(tǒng)的微波信號(hào)源提供,偏置電流由偏置電流源提供。另一方面,當(dāng)在微波帶狀線上設(shè)置大量約瑟夫森結(jié)串聯(lián)時(shí),由于法向電阻的衰減,增加了微波功率不均勻性[11]。因此,為了避免由此產(chǎn)生微波傳輸性能的損失,NMIJ將微波帶狀線劃分為16個(gè)陣列[12,13],每個(gè)陣列具有4 096(212)個(gè)結(jié)。在兩端的約瑟夫森結(jié)陣列中,約瑟夫森結(jié)進(jìn)一步分為(2 048,1 024,512,…,32,32)個(gè)子陣列,當(dāng)結(jié)陣注入微波頻率ftyp時(shí),所產(chǎn)生的正向量子電壓臺(tái)階Ui的大小見式(2),約瑟夫森結(jié)陣子陣列所含結(jié)的數(shù)量及量子電壓臺(tái)階大小見表1。

3.2 偏置激勵(lì)電路

NMIJ的2 V可編程約瑟夫森結(jié)陣,其偏置電路的示意圖見圖6,圖中I0為輸出電流大小方向均可調(diào)的偏置電流源,由圖2所示的約瑟夫森結(jié)陣I-V特性可知,當(dāng)在一定范圍內(nèi)掃描每段結(jié)的偏置電流I0時(shí),可通過數(shù)字電壓表的DCV觀測(cè)結(jié)陣輸出電壓隨偏置電流的變化情況,得到約瑟夫森結(jié)陣的I-V特性曲線,從而確認(rèn)每個(gè)子陣列是否能夠輸出穩(wěn)定可靠的量子電壓臺(tái)階(輸出電壓不隨偏置電流的變化而改變的區(qū)域)。將每個(gè)子陣列的偏置電流I0設(shè)置在量子電壓臺(tái)階對(duì)應(yīng)的中心電流附近,如圖2中IP和IN所示。

表1 NMIJ約瑟夫森結(jié)陣子陣列分布和數(shù)量表Tab.1 Number of subarrays of NMIJ programmable Josephson voltage array chip

圖6 NMIJ約瑟夫森結(jié)陣偏置電路原理圖Fig...6 Bias current schematic of NMIJ programmable Josephson array

4 低溫恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)陣量子效應(yīng)電學(xué)表征與結(jié)陣表面溫度密切相關(guān)[14～16]。傳統(tǒng)的量子電壓系統(tǒng),由液氦為約瑟夫森結(jié)陣提供低溫環(huán)境,該系統(tǒng)中的約瑟夫森結(jié)陣工作溫度在4.2 K附近,也稱為低溫結(jié)陣,與第3.1節(jié)介紹的日本NMIJ的10 K高溫結(jié)陣具有不同的工作溫度。在傳統(tǒng)的液氦型量子電壓系統(tǒng),核心量子器件——約瑟夫森結(jié)陣芯片始終浸泡在液氦中,即使在向結(jié)陣注入大功率微波的交流激勵(lì),使之產(chǎn)生超導(dǎo)量子電壓臺(tái)階時(shí),微波功率耗散引起的發(fā)熱效應(yīng)對(duì)約瑟夫森結(jié)陣溫度并無顯著影響,結(jié)陣始終工作于液氦沸點(diǎn)溫度,結(jié)陣的工作溫度是穩(wěn)定的4.2 K[17～19]。

圖7 結(jié)陣芯片與二級(jí)冷頭之間的溫度梯度Fig...7 Temperature gradient between Josephson array chip and coldhead

而在基于制冷機(jī)的免液氦量子電壓系統(tǒng)中,約瑟夫森結(jié)陣始終處于無液氦環(huán)境中,制冷機(jī)及配套的低溫恒溫系統(tǒng)用于將約瑟夫森結(jié)陣?yán)鋮s至10 K左右低溫。通過循環(huán)壓縮氦氣并執(zhí)行Gifford-McMahon循環(huán)操作,無需使用液氦(He)即可使約瑟夫森結(jié)陣達(dá)到10 K左右的溫度。在無液氦環(huán)境下,由于約瑟夫森結(jié)陣的冷量由G-M制冷機(jī)冷頭提供,結(jié)陣與制冷機(jī)冷頭間存在導(dǎo)冷銅塊、大熱容蓄冷材料、基底、PCB板、銅片、銦片、絕緣片、無氧銅樣品臺(tái)等介質(zhì),如圖7所示,因此制冷機(jī)冷頭與結(jié)陣之間存在溫度梯度ΔT。當(dāng)結(jié)陣注入微波功率,大功率微波耗散導(dǎo)致結(jié)陣持續(xù)發(fā)熱,結(jié)陣自身的溫度以及結(jié)陣與冷頭見的溫度梯度ΔT,也隨之產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。

圖8給出了約瑟夫森結(jié)陣直流特性即臨界電流隨溫度變化(T1

圖8 結(jié)陣臨界電流隨溫度變化示意圖Fig...8 Schematic diagram of Josephson array critical current changing with temperature

圖9給出了約瑟夫森結(jié)陣交流特性曲線及量子電壓臺(tái)階隨溫度變化(T1>T2)而變化的示意圖,當(dāng)約瑟夫森結(jié)陣的溫度由T1升高至T2時(shí),結(jié)陣量子電壓臺(tái)階的寬度ΔI減少, 量子電壓臺(tái)階的中心電流位置也由IP1變化到了IP2。在相同微波頻率及功率的輻照下,約瑟夫森結(jié)陣的溫度越高,所產(chǎn)生的量子電壓臺(tái)階的寬度越小。因此,當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)來回波動(dòng)時(shí),溫度的變化將在一定范圍內(nèi)引起量子電壓臺(tái)階的伸縮和抖動(dòng),從而引起結(jié)陣輸出電壓的波動(dòng),降低輸出量子電壓的準(zhǔn)確性。

圖9 結(jié)陣量子臺(tái)階位置及I-V特性隨溫度變化示意圖Fig...9 Schematic diagram of Josephson array quantum voltage steps positions and I-V characteristic changing with temperature

結(jié)陣的I-V特性受溫度影響,這種溫度變化會(huì)減小量子電壓臺(tái)階寬度。因此必須盡可能抑制約瑟夫森結(jié)陣所處位置的溫度波動(dòng)。結(jié)陣的I-V特性受溫度影響,這種溫度變化會(huì)減小量子電壓臺(tái)階寬度。本文采用的G-M低溫制冷機(jī)二級(jí)冷頭,在無負(fù)載情況下,附近會(huì)產(chǎn)生峰峰值為100～200 mK或更高的溫度振蕩(熱信號(hào))[19],溫度波動(dòng)會(huì)影響約瑟夫森結(jié)陣的超導(dǎo)特性[20],因此必須盡可能抑制約瑟夫森結(jié)陣所處位置的溫度波動(dòng)。抑制這種溫度波動(dòng)的最有效方法是增加約瑟夫森結(jié)陣所在樣品臺(tái)和冷頭之間的熱阻。

為了使結(jié)陣處溫度波動(dòng)盡可能小(例如小于 ±3 mK),需要添加抑制溫度波動(dòng)的大熱容蓄冷材料,增加熱阻,同時(shí)配備導(dǎo)冷銅塊,保證樣品處10 K低溫;本文將玻璃纖維與樹脂碾壓復(fù)合材料和不銹鋼,在制冷機(jī)冷頭處和樣品臺(tái)處布置該類材料,采用兩級(jí)控溫,根據(jù)控溫精度及降溫時(shí)間,選擇玻璃纖維與樹脂碾壓復(fù)合材料和不銹鋼組合的形式來控溫,得出控溫精度最優(yōu)情況下兩種材料的厚度。

與上述低溫制冷機(jī)結(jié)合使用的低溫恒溫器可將超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)陣?yán)鋮s至10 K或更低的極低溫度真空室,其將低溫產(chǎn)生部分長(zhǎng)時(shí)間保持在高真空狀態(tài)。低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)如圖10所示,其中樣品冷臺(tái)用于安裝日本NMIJ的2 V可編程約瑟夫森結(jié)陣;制冷機(jī)二級(jí)冷頭與樣品冷臺(tái)之間為抑制約瑟夫森結(jié)陣所在樣品臺(tái)溫度波動(dòng)的大熱容蓄冷材料,以及導(dǎo)冷銅塊;導(dǎo)冷銅塊上方和樣品臺(tái)上方分別安裝了兩路溫度傳感器和加熱器,用于樣品臺(tái)處溫度的精確控制;樣品臺(tái)外部為坡莫合金磁屏蔽罩,用于抑制制冷機(jī)運(yùn)行過程中,約瑟夫森結(jié)陣所在空間的磁場(chǎng)干擾;一級(jí)熱沉和二級(jí)熱沉分別位于制冷機(jī)的一級(jí)冷頭和二級(jí)冷頭附近,可用于固定和冷卻低溫微波線纜;真空罩用于恒溫器腔體的真空和密封;低溫恒溫器底部包括控制信號(hào)線、電壓傳輸線、多通道驅(qū)動(dòng)電流引線、SMA真空微波接頭等;控制信號(hào)線用于連接控溫儀與溫度傳感器、加熱器的連接;電壓傳輸線用于傳輸約瑟夫森結(jié)陣的電壓輸出;多通道驅(qū)動(dòng)電流引線用于連接約瑟夫森結(jié)陣和外部偏置電路;SMA真空微波接頭用于連接內(nèi)部低溫微波傳輸線與外部微波隔離器及微波線纜。

圖10 低溫恒溫器結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Framework of cryostat

為了將約瑟夫森結(jié)陣?yán)鋮s至10 K,必須長(zhǎng)時(shí)間保持低溫恒溫器內(nèi)部的高真空度,約瑟夫森結(jié)陣安裝在樣品臺(tái)上,樣品臺(tái)位于二級(jí)冷屏內(nèi)部,溫度傳感器安裝在二級(jí)冷頭附近以及樣品臺(tái)上,并與外部控溫儀連接。為確保低溫恒溫容器內(nèi)長(zhǎng)期保持高真空環(huán)境,恒溫器均采用真空插接件,用于腔體內(nèi)部和外部信號(hào)線纜的連接,真空插接件采用密封結(jié)構(gòu),減小了漏氣的可能。恒溫容器還采用了用于防止熱量從室溫流入輻射隔熱屏結(jié)構(gòu),包括一級(jí)冷屏和二級(jí)冷屏。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在常溫下,對(duì)免液氦量子電壓系統(tǒng)的低溫恒溫器內(nèi)部抽真空至1 Pa以下,開啟制冷機(jī)系統(tǒng),二級(jí)冷頭處玻璃纖維與樹脂碾壓復(fù)合材料采用0.4 mm厚度,不銹鋼片采用0.5 mm厚度,在結(jié)陣無微波輸入情況下系統(tǒng)進(jìn)行降溫,3.5 h內(nèi)樣品臺(tái)溫度可降至10 K以下。圖11為制冷機(jī)開機(jī)后,恒溫容器內(nèi)樣品臺(tái)處溫度的測(cè)量結(jié)果,圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為溫度,刻度單位為50 K。

圖11 制冷開機(jī)后恒溫容器樣品臺(tái)溫度測(cè)量結(jié)果Fig...11 Temperature measurement results of the code plate after the cryocooler is started up

使用Lakeshore 325溫控儀對(duì)樣品臺(tái)進(jìn)行控溫,該控溫儀帶有兩路溫度傳感器輸入通道和兩路獨(dú)立的PID控制回路。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)二級(jí)冷頭上方導(dǎo)冷銅塊處的溫度傳感器,對(duì)該處控溫至9.80 K;B點(diǎn)對(duì)應(yīng)樣品臺(tái)處溫度傳感器,對(duì)該處控溫至10.0 K。

樣品臺(tái)處溫度波動(dòng)測(cè)量結(jié)果如圖12所示。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為溫度,刻度單位為0.002 K。從圖12中6 h內(nèi)溫度測(cè)量結(jié)果可以看出,樣品臺(tái)處溫度波動(dòng)基本穩(wěn)定在±3 mk以內(nèi)。

圖12 恒溫容器樣品臺(tái)溫度穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果(6小時(shí))Fig...12 Temperature stability measurement results of the code plate (6 hours)

圖13 NMIJ結(jié)陣第7段子陣列的臨界電流測(cè)量結(jié)果Fig.13 Critical current measurement results of the 7th subarray

樣品臺(tái)控溫9.7 K時(shí),結(jié)陣不注入微波,控制NMIJ約瑟夫森結(jié)陣每個(gè)子陣列的偏置電流I,用Keysight 34 420 A測(cè)量結(jié)陣輸出電壓U,給出每個(gè)子陣列的直流I-V特性,以及臨界電流IC的掃描結(jié)果。圖13給出了NMIJ結(jié)陣第7段子陣列(含1 024個(gè)約瑟夫森結(jié))的臨界電流測(cè)量結(jié)果,其中橫坐標(biāo)為電壓,V;縱坐標(biāo)為掃描電流,μA。從圖中可以看出,第7段子陣列臨界電流寬度約為10 000 μA (10 mA)。

樣品臺(tái)控溫9.7 K時(shí),結(jié)陣注入頻率為16.08 GHz,功率約18 dBm的微波后,控制每個(gè)子陣列的偏置電流I,用Keysight 34 420 A測(cè)量結(jié)陣輸出電壓U,給出每個(gè)子陣列的交流I-V特性,以及量子電壓臺(tái)階的掃描結(jié)果。圖14給出了第7段子陣列的交流I-V特性測(cè)量結(jié)果,圖15給出了第7段子陣列的正向量子電壓臺(tái)階測(cè)量結(jié)果,量子電壓臺(tái)階寬度ΔI約為0.95 mA(11 600 ～12 550 μA),即當(dāng)?shù)?段子陣列的偏置電流在11 600 ～12 550 μA變化時(shí),結(jié)陣輸出的電壓始終為量子電壓臺(tái)階,大小可由式(2)計(jì)算得到。

圖14 NMIJ結(jié)陣第7段子陣列的交流I-V特性測(cè)量結(jié)果Fig.14 I-V curve measurement results of the 7th subarray

圖15 NMIJ結(jié)陣第7段子陣列的正向量子電壓臺(tái)階測(cè)量結(jié)果(11 600 ～12 550 μA)Fig...15 Positive quantum voltage margin measurement results of the 7th subarray

6 結(jié) 論

文中給出了免液氦量子電壓標(biāo)準(zhǔn)低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu),詳細(xì)分析了NMIJ結(jié)陣的結(jié)構(gòu)和低溫下的超導(dǎo)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,項(xiàng)目組設(shè)計(jì)和研制的免液氦量子電壓標(biāo)準(zhǔn)低溫系統(tǒng),能夠較好地為NMIJ約瑟夫森結(jié)陣提供10 K左右低溫環(huán)境,測(cè)得的臨界電流和超導(dǎo)量子電壓臺(tái)階寬度滿足結(jié)陣超導(dǎo)特性使用要求,為下一步直流量子電壓的準(zhǔn)確輸出奠定了重要基礎(chǔ)。下一步,結(jié)合已有的交流量子電壓[21,22]和交流量子功率[23,24]的已有研究基礎(chǔ),以本文研制的免液氦量子電壓標(biāo)準(zhǔn)低溫系統(tǒng)為平臺(tái),計(jì)劃開展無液氦環(huán)境下,交流量子電壓和交流量子功率的相關(guān)研究。