量子态统计测量电路探讨!.pdf

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1、第!)卷增刊低温物理学报123(!)!##%年"#月45’67&789:;6<=9>=9?@7AB7;<@:;7B5C&’4&9DE(，!##%"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""量子态统计测量电路探讨!吉争鸣孙国柱范世雄杨名许伟伟吴培亨南京大学电子科学与工程系超导电子研究所，南京!"##$%本文讨论了超导隧道结（&’&）从零电压态跃迁到正常态过程的量子特征(对&’&结的临界电流的统计分布测量的可行性作了探讨(由于&’&结的临界电流是温度敏

2、感的量，并且，其量子跃迁的电流变化很小，因此，对温度的稳定性和测量的精度均要求很高(我们提出了一种改进的以测量时间间隔的方法取代直接测量临界电流的方法的测量方案，去测量&’&结从零电压态跃迁到正常态过程临界电流变化的统计分布(电路的计算机模拟表明，这种方法较直接法有更好的精度(实验上的测量在准备中("引言超导约瑟夫森&’&隧道结是一个典型的宏观量子系统(人们可通过此系统研究超导量子跃迁行为、热激发能(约瑟夫森&’&隧道结在电流偏置过程中，从零电压态跃迁到有限电压态的行为，与一个处在周期势垒中的的粒子从亚稳态逃

3、逸的过程是可以等效的(在温度比较高时，这个跃迁行为受到跨越势垒的热激发能的制约；在温度比较低时，这个跃迁行为则由通过势垒的量子隧道过程支配(粒子从周期势垒中跃迁的比例由势垒的形状、系统的耗散以及系统的温度决定(在&’&隧道结在电流偏置过程中，当电流超过“临界电流”时，结瞬间从零电压态跃迁到有限电压态(实验表明，这个“临界电流”不仅和温度有关，而且受到量子行为支配，即它的实验测量数值的偏差在一定的测量精度内，在较低的温度下不遵从正态统计规律(理论分析表明：这种现象和超导隧道过程的量子行为密切相关(测量这种统计分

4、布，可从另外的侧面理解超导隧道过程的量子行为(为了使测量能够反映出量子特性的统计特性，对测量电路有特定的性能要求(此测量是在某一温度点下对“临界电流”的多次测量，因此对温度的稳定要求很高(换句话说，如果测量速度很快，比如说：)##个值*秒，则这一测量是在同一温度点下测得的(故测量速度指标是一个要求(为了是测量能够反映出量子特性的统计特性，对测量电路有一定的精度要求(一般高分辨率的测量系统是以牺牲测量时间为代价，而获得相对高的测量分辨率(而高速测量，一般采取数据采集系统直接采样(对于一个"+位的数据采集系统其分

5、辨率为"(),-)，达不到要求(对于目前的测量要求分辨率优于"#-."#(!国家重点基础研究发展规划项目（/"$$$#+0+）和国家高技术研究发展计划资助的课题(增刊吉争鸣等：量子态统计测量电路探讨$::我们分析了国外有关量子特性的统计特性测量方案!其中基于时间的测量方法较为优越!此方法用测量时间间隔的方法取代直接测量临界电流的测量方案，去测量"#"结从零电压态跃迁到正常态过程临界电流变化的统计分布!考虑到"#"隧道结可能存在的磁通钉扎效应、零点漂移、电容放电等问题，我们提出了改进电路!$电路的工作原理图%所

6、示是国外报道的基于时间的临界电流测量电路框图!其主要工作原理分析如下：!%是一个&"触发器，当"’%时，#’%，#的电压控制!$$!$是一个压控电流源电路$!(是场效应开关电路$当!(断开期间，!$以恒定电流向电容器%充电，电容器上就产生一个以恒定速率上升的电压，这个电压直接控制!)$!)也是一个压控电流源电路!在恒定速率上升的电压激励下，产生一个以恒定速率上升的电流!这个电流对图%基于时间的临界电流测量电路框图*+,-./-+01200,3420516+0进行偏置!!7、!8是过零比较器!在以恒定速率上升的

7、电流对1200,3420516+0进行偏置过程中，!7首先输出高电平，经!9斯密特触发器去控制计时电路!:，使其立即开始计时!当偏置电流达到1200,3420516+0的临界电流的瞬间，结上出现电压，!8输出高电平，经!;斯密特触发器去控制计时电路!:，使其立即停止计时$同时!;也控制了!%和!(，使!(处于短路状态，使电容器%快速放电$由于!%的&’%使!%输出低电平，故电容器的电压很快降到零!计算机读取计时器的时间间隔，这个时间间隔与1200,3420516+0的临界电流大小是对应的!这样一个临界电流样值

8、就测量完成!等待下个脉冲到来，测量下一个值!电路的主要参数和精度分析：设锯齿波电流的数学表示式为：（’(）’!(<，（(）为等效的噪声电流$计时器最小时间""分辩率为#$对于计时间隔)，对应的电流为：（’)）’!)，由于计时器分辨率造成的不确定电流为!’’!#<，这时系统的相对精度为"!’*（’)）+｛!#,"｝（*!)）!#*),"*!)如果时间分辨率为$7.-，每个测量周期%=-，#*)’$7>