《量子态统计测量电路探讨!.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子态统计测量电路探讨!.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、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!#$%本文讨论了超导隧道结（&）从零电压态跃迁到正常态过程的量子特征(对&结的临界电流的统计分布测量的可行性作了探讨(由于&结的临界电流是温度敏感的量，并且，其量子跃迁的电流变化很小，因此，对温度的稳定性和测量的精度均要求很高(我们提出了一种改进的以测量时间间隔的方法取代直接测量临界电流的方法的测量方案，去测量&结从零电压态跃迁到正常态过程临界电流变化的统计分布(电路的计算机模拟表明，这种方法较直接法有更好的精度(实验上的测量在准备中(引言超导约瑟夫森&隧道结是一个典型的宏观量子系统(人们可
2、通过此系统研究超导量子跃迁行为、热激发能(约瑟夫森&隧道结在电流偏置过程中，从零电压态跃迁到有限电压态的行为，与一个处在周期势垒中的的粒子从亚稳态逃逸的过程是可以等效的(在温度比较高时，这个跃迁行为受到跨越势垒的热激发能的制约；在温度比较低时，这个跃迁行为则由通过势垒的量子隧道过程支配(粒子从周期势垒中跃迁的比例由势垒的形状、系统的耗散以及系统的温度决定(在&隧道结在电流偏置过程中，当电流超过“临界电流”时，结瞬间从零电压态跃迁到有限电压态(实验表明，这个“临界电流”不仅和温度有关，而且受到量子行为支配，即它的实验测量数值的偏差在一定的测量精度内，在较低的温度下不遵从正态统计规律(理论分析表明
3、：这种现象和超导隧道过程的量子行为密切相关(测量这种统计分布，可从另外的侧面理解超导隧道过程的量子行为(为了使测量能够反映出量子特性的统计特性，对测量电路有特定的性能要求(此测量是在某一温度点下对“临界电流”的多次测量，因此对温度的稳定要求很高(换句话说，如果测量速度很快，比如说：)#个值*秒，则这一测量是在同一温度点下测得的(故测量速度指标是一个要求(为了是测量能够反映出量子特性的统计特性，对测量电路有一定的精度要求(一般高分辨率的测量系统是以牺牲测量时间为代价，而获得相对高的测量分辨率(而高速测量，一般采取数据采集系统直接采样(对于一个+位的数据采集系统其分辨率为(),#-)，达不到要求(
4、对于目前的测量要求分辨率优于#-.(!国家重点基础研究发展规划项目（/$#+0+）和国家高技术研究发展计划资助的课题(第!)卷 增刊低温物理学报123(!)!#%年#月4567&7 89:;6=9?7AB7;:;7 B5C&4&9DE(，!#%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!$电路的工作原理图%所示是国外报道的基于时间的临界电流测量电路框图!其主要工
5、作原理分析如下：图%基于时间的临界电流测量电路框图!%是一个&触发器，当%时，#%，#的电压控制!$!$是一个压控电流源电路$!(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!)$!)也是一个压控电流源电路!在恒定速率上升的电压激励下，产生一个以恒定速率上升的电流!这个电流对*+,-./-+0 1200,3 420516+0 进行偏置!7、!8 是过零比较器!在以恒定速率上升的电流对 1200,3420516+0 进行偏置过程中，!7 首先输出高电平，经!9 斯密特触发器去控制计时电路!:，使其立即开始计时!当偏置电流
6、达到 1200,3 420516+0 的临界电流的瞬间，结上出现电压，!8 输出高电平，经!;斯密特触发器去控制计时电路!:，使其立即停止计时$同时!;也控制了!%和!(，使!(处于短路状态，使电容器%快速放电$由于!%的&%使!%输出低电平，故电容器的电压很快降到零!计算机读取计时器的时间间隔，这个时间间隔与 1200,3 420516+0 的临界电流大小是对应的!这样一个临界电流样值就测量完成!等待下个脉冲到来，测量下一个值!电路的主要参数和精度分析：设锯齿波电流的数学表示式为：（(）!(，（(）为等效的噪声电流$计时器最小时间分辩率为#$对于计时间隔)，对应的电流为：（)）!)，由于计时
7、器分辨率造成的不确定电流为!#%?:!从以上分析，此电路的系统分辨率的限制主要有：（%）!$、!)，电流和电压的噪声性能!（$）!7、!9，和!8、!;对时间的延迟误差$（)）计时器的计时精度!电路的优点：系统分辩率高，测量速度快!)改进的电路图$所示为改进的基于时间的临界点流测量电路框图!:$增刊吉争鸣等：量子态统计测量电路探讨图!改进的基于时间的临界电流测量电路框图改进的电路的特点：（）采用变压器隔离的技术，消除了原!#电路零点电流飘移的影响$（!）采用三角形电流，使%&()*&+%,-在整个测量周期内的到双向偏置$这样一来可消除磁通的钉扎，避免对测量结果的影响$（#）采用三角形电流避免了
8、原电路在电流降为零的过程，电流变化太快，使得结上产生高电压$（.）消除了由于电容器放电不充分造成的测量误差$（/）三角形电流采用商品化的仪器提供，可保证很好的线性$.其它问题讨论从上面的讨论分析可看出，基于时间测量的方法，具有较高的测量速度和系统精度$实验上来说，较高的测量速度可降低对系统的温度稳定性要求$较高的系统精度使得实验上可得到的精度仅取决于系统噪声$在降低噪声方面可采用以下几个措施：）对于电路中的过零比较器采用差分输入电路，这样可降低共模噪声的影响$!）偏置电路中的偏置电阻放置于低温下，靠近 010 结附近，这样可降低电阻中的热噪声，同时降低 02342 和 0256 两个回路之间的
9、共模噪声的影响$#）尽管较高的测量速度可降低对系统的温度稳定性要求，但量子特性的行为只有当 010 结的热噪声降到一定程度才出现，故 010 结的温度需降到#7789 以下$.）为了降低电磁辐射和杂散磁场对 010 结的影响，测量系统尽可能地置于屏蔽盒内$特别应考虑磁屏蔽$/）从实验上讲计时器，斯密特触发器，过零比较器触发等的触发电压，偏置电阻上的电压降的数值都具有统计的性质$这些性质会同时在计时器上的读数表现出来，并且从本质上讲是无法分辨出那个数值属哪个器件特有$如果我们假设以上的常规器件所具有的统计特性属于正态统计，那么整个系统就具有的正态统计特性$（#）（用一个电阻替代 010结）$如果
10、 010 结的统计特性为 （$），那么，系统得到得数据的统计特性为 （%）:（#）;（$）&为了还原出 （$），可事先测得 （#），这样 （$）:（%）（#）$%?,，0$6A-，4$B?,%,-，5$C(A8(，D 9$E$5?F，()*&#+,&-+.&，!（GHH），H.$!6$0,)=(%?,，5$C(A8(D 9$E$5?F，()*&#+,&，I#$（GHG），/!/$77#低温物理学报!/卷!#!$%&(#&%)%&%!)*+,)&$#,+,-%(.$)-%$+&%)%,&!#$%&()&*+&+,(#$+-.&*$(/,&0.&)&/+1%(1%1+2%($%&!#$%&()#*
11、+*,*-./,0%&-)1,&*-%23&*%-)+&#，40$%*5)*-.23&*%-)+&/&+)&$)1 2)6+)%+)6，7$)8+)6 9)+:%#+*;，$)=-,!-$1 34556718 9:;?8=AB=C?ADA8D:;:;EF;=G8DEB9=ED=BB8H:BI J=B:EB（*）9=D:BI:;DAB;:EB FDEC K8DE LEHAI8;A8 E BEDCAH;A8M N?8 F8A;:O:H:P FED;A:;:EF?8;Q:?:;=9:89M R8?8;Q:?:;L8DP;8B;:(:L8 E?8 8CG8DA=D8 AB9?8 =AB=C(8;8:;
12、L8DP;CAHH，?:I?;AO:H:(P FED 8CG8DA=D8 AB9?:I?(D8;EH=:EB C8A;=D8C8B:;B88989M 18 98L8HEG89 A:D EI8?8;A:;:AH?ADA8D:;:;EF*J=B:EBS;:AH M N?:;:D:;OA;89EB C8A;=D:BI?8:C8;GAB:B;8A9 EF C8A;=D:BI?8:AH EF*J=B:EB:(;8HFM,=D;:C=HA:EB;OP 8D GDEL8?A;=?A:D?A;?:I?8D D8;EH=:EBM%TG8D(:C8B;EB?8:D AD8=B98DIE:BIM457!2DEJ8;=GGED89 OP?8*A8 2DEIDAC EF U?:BA（DAB&EM46665VWV）AB9?8&A:EBAH$:I?N8?BEHEIP X8;8AD 2DEIDAC EF U?:BAM增刊吉争鸣等：量子态统计测量电路探讨