RU2801961C1

RU2801961C1 - Active superconducting detector

Info

Publication number: RU2801961C1
Application number: RU2022134753A
Authority: RU
Inventors: Сергей Витальевич Шитов
Filing date: 2022-12-28
Publication date: 2023-08-21

Abstract

FIELD: electromagnetic signals.

SUBSTANCE: invention can be used to detect ultra-small signals in the range of millimetre and submillimetre wavelengths, as well as infrared radiation, including in radio astronomy. Device parameters for a specific frequency range can be calculated using standard electromagnetic modelling methods, and the chip is manufactured using thin-film technology. The technical result achieved in the invention consists in a fundamental improvement in the sensitivity of a superconducting thermoresistive sensor near the fundamental threshold of detector sensitivity, limited by quantum fluctuations of the detected radiation, as well as in the technical simplicity of obtaining such a result. The technical result is achieved in the invention due to a new solution for integrating an ultra-low-noise parametric amplifier based on a PT-SQUID in the immediate vicinity of the detector. This ensures that a useful signal is transmitted from the superconducting thermoresistive sensor to the preamplifier with virtually no loss, which is similar to the radio engineering principle called "active detector".

EFFECT: fundamental improvement in the sensitivity of a superconducting thermoresistive sensor and technical simplicity.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области техники электросвязи и измерительной техники, в частности к радиометрическим тепловым сенсорам на основе сверхпроводимости, и может применяться как для регистрации и измерения мощности сверхмалых электрических сигналов, так и системах дистанционного термодинамического контроля, в том числе в изображающих сенсорах в области миллиметровых, субмиллиметровых и инфракрасных волн в радиоастрономии и для систем поддержания общественной безопасности.The invention relates to the field of telecommunications and measurement technology, in particular to radiometric thermal sensors based on superconductivity, and can be used both for recording and measuring the power of ultra-small electrical signals, and for remote thermodynamic control systems, including imaging sensors in the millimeter, submillimeter and infrared waves in radio astronomy and for public safety systems.

Изобретение является синтезом нескольких весьма близких аналогов и устройства-прототипа. Изобретение призвано, в первую очередь, реализовать теоретически возможные параметры сверхчувствительных сверхпроводящих детекторов с электронным газом для применения в матрицах для радио-видения, в том числе, в терагерцовом диапазоне частот.The invention is a synthesis of several very close analogues and a prototype device. The invention is intended, first of all, to realize the theoretically possible parameters of supersensitive superconducting detectors with electron gas for use in radio-vision matrices, including those in the terahertz frequency range.

Ближайшим аналогом изобретения по составу функциональных узлов является интегральное устройство, описанное в работе (Boris S. Karasik, Peter K. Day, Jonathan H. Kawamura, Bruce Bumble, and Henry G. LeDuc, Multiplexing of Hot Electron Nanobolometers Using Microwave SQUIDs, Proc. AIP Conference 1185, 257 (2009), doi: 10.1063/1.3292327). Данный аналог на уровне пикселя выполнен в виде интегральной структуры на одном чипе и имеет несколько функциональных частей: (1) сверхпроводящий микрорезонатор СВЧ диапазона 10 ГГц, слабо связанный с линией возбуждения; (2) сверхпроводящий магнитный сенсор - сквид, содержащий два джозефсоновских контакта, включенных параллельно между собой в цепь микрорезонатора СВЧ; (3) болометрический сенсор терагерцовых волн на основе сверхпроводящего мостика с электронным газом при температуре близкой к температуре сверхпроводящего перехода, интегрированного с планарной антенной и с цепью смещения мостика постоянным напряжением; (4) индуктор магнитного поля, воздействующий на сквид и включенный в цепь смещения мостика.The closest analogue of the invention in terms of the composition of functional units is an integrated device described in (Boris S. Karasik, Peter K. Day, Jonathan H. Kawamura, Bruce Bumble, and Henry G. LeDuc, Multiplexing of Hot Electron Nanobolometers Using Microwave SQUIDs, Proc. AIP Conference 1185, 257 (2009), doi: 10.1063/1.3292327). This analogue at the pixel level is made in the form of an integrated structure on a single chip and has several functional parts: (1) a superconducting 10 GHz microwave microresonator, weakly coupled to the excitation line; (2) a superconducting magnetic sensor - a SQUID containing two Josephson junctions connected in parallel to each other in the microwave microresonator circuit; (3) bolometric sensor of terahertz waves based on a superconducting bridge with an electron gas at a temperature close to the temperature of the superconducting transition, integrated with a planar antenna and with a DC bias circuit of the bridge; (4) a magnetic field inductor acting on the SQUID and included in the bridge bias circuit.

Данный аналог на уровне пикселя функционирует следующим образом. Сигнал в диапазоне ТГц частот принимается планарной антенной, интегрированной с мостиком, что приводит к генерации квазичастиц и разогреву электронной подсистемы в мостике. Такой разогрев приводит к изменению (возрастанию) импеданса мостика, меняя ток в его цепи; вследствие изменения этого тока индуктор, меняет магнитное поле, воздействующее на сквид. Под действием изменившегося магнитного поля сквид, включенный последовательно в токовую цепь резонатора, меняет свой комплексный импеданс, меняя частоту и добротность всего резонатора. Для регистрации изменения добротности в линию возбуждения резонатора подается фиксированная мощность на частоте в полосе резонатора (зондирующий сигнал). Полоса резонатора определяет полосу частот для селекции отклика данного пикселя. Вследствие изменения параметров резонатора в полосе селекции меняется коэффициент пропускания линии возбуждения. На выходе линии возбуждения установлен охлаждаемый полупроводниковый усилитель и измеритель мощности, которые позволяют измерять вариации пропускания линии в полосе частот селекции пикселя и сопоставлять такое изменение с мощностью терагерцового сигнала, принятого антенной. К линии возбуждения может быть последовательно соединено определенное число аналогичных пикселей с резонаторами, настроенными так, что их полосы не перекрываются. Это позволяет сформировать так называемую матрицу с частотной селекцией пикселя: возможен независимый и одновременный анализ сигналов, принятых разными пикселями, что аналогично одновременному приему информации от нескольких эфирных вещателей.This analogue at the pixel level functions as follows. A signal in the THz frequency range is received by a planar antenna integrated with the bridge, which leads to the generation of quasiparticles and heating of the electronic subsystem in the bridge. Such heating leads to a change (increase) in the impedance of the bridge, changing the current in its circuit; due to a change in this current, the inductor changes the magnetic field acting on the SQUID. Under the action of a changed magnetic field, the SQUID connected in series to the current circuit of the resonator changes its complex impedance, changing the frequency and quality factor of the entire resonator. To register a change in the quality factor, a fixed power at a frequency in the resonator band (probing signal) is fed to the excitation line of the resonator. The resonator bandwidth determines the bandwidth for selecting the response of a given pixel. Due to the change in the parameters of the resonator in the selection band, the transmittance of the excitation line changes. At the output of the excitation line, a cooled semiconductor amplifier and a power meter are installed, which make it possible to measure line transmission variations in the pixel selection frequency band and compare such a change with the power of the terahertz signal received by the antenna. A certain number of similar pixels with resonators tuned so that their bands do not overlap can be connected in series to the excitation line. This makes it possible to form a so-called matrix with pixel frequency selection: independent and simultaneous analysis of signals received by different pixels is possible, which is similar to the simultaneous reception of information from several broadcasters.

Техническим результатом вышеописанного устройства-аналога является увеличение возможного числа сенсоров на основе разогрева электронного газа в составе изображающей матрицы с частотным мультиплексированием. Такой результат достигается за счет перехода частотного диапазона селекции от диапазона кГц к диапазону ГГц, то есть к диапазону СВЧ, когда, согласно теории коммуникаций, в относительно узком диапазоне частот можно разместить большее число информационных каналов, а также использовать серийные охлаждаемые полупроводниковые усилители СВЧ, отказавшись от дорогостоящих и капризных сквид-усилителей низких частот.The technical result of the above-described analogous device is to increase the possible number of sensors based on the heating of the electron gas in the image matrix with frequency multiplexing. This result is achieved by switching the selection frequency range from the kHz to the GHz range, that is, to the microwave range, when, according to the theory of communications, a larger number of information channels can be placed in a relatively narrow frequency range, as well as the use of commercially cooled microwave semiconductor amplifiers, refusing from expensive and capricious low-frequency squid amplifiers.

Технический результат в аналоге достигается за счет опосредованного воздействия разогреваемого мостика на СВЧ резонатор за счет промежуточного сенсора - сквида, интегрированного в каждый пиксель и выполняющего функцию СВЧ модулятора, управляемого относительно медленным сенсором ТГц частот (мостиком). Это позволяет обойти проблему прямого взаимодействия мостика с СВЧ резонатором, так как авторы аналога считают, что мостик с электронным газом вблизи критической температуры теряет нелинейные свойства на СВЧ. В отличие от мостика с электронным газом, сквид сохраняет нелинейный импеданс на СВЧ до частот порядка 0,1 ТГц, преобразуя вариации тока в мостике в вариации мощности в линии возбуждения/считывания резонатора. При этом мостик в каждом пикселе смещается индивидуальным источником на постоянном (низкочастотном) напряжении, а отклик пикселя на ТГц-воздействие решистрируется при демодуляции в полосе частот СВЧ-резонатора этого пикселя.The technical result in the analog is achieved due to the indirect effect of the heated bridge on the microwave resonator due to the intermediate sensor - SQUID, integrated into each pixel and performing the function of a microwave modulator controlled by a relatively slow THz frequency sensor (bridge). This circumvents the problem of direct interaction of the bridge with the microwave resonator, since the authors of the analogue believe that the bridge with the electron gas near the critical temperature loses its nonlinear properties in the microwave. Unlike an electron gas bridge, the SQUID maintains a non-linear microwave impedance up to frequencies of the order of 0.1 THz, converting current variations in the bridge into power variations in the resonator excitation/readout line. In this case, the bridge in each pixel is displaced by an individual source at a constant (low-frequency) voltage, and the pixel response to the THz action is recorded during demodulation in the frequency band of the microwave resonator of this pixel.

Недостатками аналога следует считать (1) наличие цепи постоянного тока, соединенной с наиболее чувствительным элементом пикселя (с мостиком). Это связано с известной проблемой фильтрации помех, в особенности эффектов, связанных с фликкер-шумом; (2) отклик резонатора на максимальную модуляцию импеданса сквида оказался относительно мал; (3) добротность резонатора, определяющая ширину полосу частот занятую пикселем, оказывается невысокой, что, по-видимому, связано с импедансом сквида и способом его включения в резонатор; (4) реактивный характер вариации импеданса сквида приводит к сдвигу центральной частоты резонатора под действием сигнала, что означает сильный вклад (неизбежных) фазовых и частотных шумов опорного генератора в отклик пикселя.The disadvantages of the analogue should be considered (1) the presence of a DC circuit connected to the most sensitive element of the pixel (with a bridge). This is due to the well-known noise filtering problem, especially the effects associated with flicker noise; (2) the response of the resonator to the maximum modulation of the SQUID impedance turned out to be relatively small; (3) the quality factor of the resonator, which determines the bandwidth occupied by a pixel, turns out to be low, which is apparently related to the impedance of the SQUID and the way it is included in the resonator; (4) the reactive nature of the SQUID impedance variation leads to a shift in the center frequency of the resonator under the influence of the signal, which means a strong contribution of the (inevitable) phase and frequency noise of the reference oscillator to the pixel response.

Другим аналогом, релевантным данному изобретению, является детектор на основе наноболометра с горячими электронами в нормальном металле, использующий регистрацию термодинамического шума на низких (гигагерцовых) частотах (В.S. Karasik, С.В. McKitterick, Т. J. Reck, D.E. Prober. Normal Metal Hot-Electron Nanobolometer with Johnson Noise Thermometry Readout, https://arxiv.org/abs/1411.1118). Устройство на уровне пикселя также содержит мостик, включенный в планарную антенну и резонатор. На уровне матрицы используется суммирующая линия передачи СВЧ и общий параметрический усилитель.Another analogue relevant to this invention is a nanobolometer detector with hot electrons in a normal metal using thermodynamic noise detection at low (GHz) frequencies (B.S. Karasik, C.B. McKitterick, T. J. Reck, D.E. Prober .Normal Metal Hot-Electron Nanobolometer with Johnson Noise Thermometry Readout, https://arxiv.org/abs/1411.1118). The device at the pixel level also contains a bridge included in the planar antenna and the resonator. At the matrix level, a summing microwave transmission line and a common parametric amplifier are used.

Данный аналог функционирует следующим образом. Разогрев мостика сопровождается увеличением шумового напряжения на мостике. Шумовой сигнал фильтруется резонатором и подается в качестве одного из слагаемых в общую линию, передающую сигнал со всех пикселей на чувствительный усилитель. После усиления производится анализ интенсивности спектра в частотных интервалах, соответствующих разным пикселям (резонаторам).This analogue functions as follows. The heating of the bridge is accompanied by an increase in the noise voltage on the bridge. The noise signal is filtered by the resonator and fed as one of the terms into a common line that transmits the signal from all pixels to a sensitive amplifier. After amplification, the intensity of the spectrum is analyzed in the frequency intervals corresponding to different pixels (resonators).

Технический результат, достигаемый в данном аналоге, заключается также, как и в первом аналоге, в увеличении возможного числа сенсоров на одной общей линии считывания за счет перехода частотного диапазона селекции от килогерцовых частот к диапазону СВЧ, а также в предельном упрощении конструкции возможной матрицы таких сенсоров: генератор в линии и сквид-сенсор отсутствуют, а резонатор выступает в роли узкополосного фильтра между пикселем и сверхмалошумящим параметрическим усилителем.The technical result achieved in this analog, as well as in the first analog, is to increase the possible number of sensors on one common reading line due to the transition of the selection frequency range from kilohertz frequencies to the microwave range, as well as in the ultimate simplification of the design of a possible matrix of such sensors : there is no oscillator in the line and no squid sensor, and the resonator acts as a narrow-band filter between the pixel and the ultra-low-noise parametric amplifier.

Технический результат в аналоге достигается за счет использования классического принципа резонансного согласования. Индивидуальные резонаторы выступают в роли трансформаторов импеданса, согласующих импеданс мостиков с импедансом линии, канализирующей сигналы всех пикселей на вход сверхмалошумящего параметрического усилителя. В данном аналоге нас интересует, в первую очередь, передача сигнала с мостика на усилитель, а также концепция использования параметрического усилителя.The technical result in the analogue is achieved through the use of the classical principle of resonant matching. Individual resonators act as impedance transformers that match the impedance of the bridges with the impedance of the line that channels the signals of all pixels to the input of an ultra-low noise parametric amplifier. In this analogue, we are primarily interested in signal transmission from the bridge to the amplifier, as well as the concept of using a parametric amplifier.

К недостаткам данного аналога можно отнести следующее: (1) селекция полосы шума высокодобротным резонатором означает ограничение интегральной мощности шума, получаемой от пикселя, при фиксированном разогреве ТГц излучением; это на порядки снижает КПД пикселя, которое можно определить как отношением мощности шума, переданной в усилитель в полосе резонатора, к мощности разогрева в полосе приемной терагерцовой антенны; (2) малая интегральная мощность шумового сигнала на выходе сенсора предъявляет не только чрезвычайно высокие требования к (параметрическому) усилителю, но и предполагает обязательное наличие второго полупроводникового охлаждаемого усилителя, без которого невозможно создание комнатного интерфейса с данным устройством; (3) увеличение температурной чувствительности такого болометрического пикселя невозможно без увеличения полосы резонатора, что неизбежно ведет к ограничению числа пикселей на одной общей линии. Создание параметрического усилителя, в котором отсутствует компромисс между чувствительностью и шириной полосы является отдельной научно-технической проблемой. При практической реализации аналога для килопиксельной матрицы, скорее всего, потребуется несколько параллельных каналов (несколько параметрических усилителей), что может, несмотря на предельную простоту самой матрицы, чересчур усложнить устройство матричного регистратора. Ни параметрический усилитель, ни способ его согласования с общей линией матрицы для данного аналога не обсуждаются.The disadvantages of this analog include the following: (1) selection of the noise band by a high-Q resonator means limiting the integrated noise power received from the pixel, with a fixed heating by THz radiation; this reduces the pixel efficiency by orders of magnitude, which can be defined as the ratio of the noise power transmitted to the amplifier in the resonator band to the heating power in the band of the receiving terahertz antenna; (2) the low integrated power of the noise signal at the sensor output places not only extremely high demands on the (parametric) amplifier, but also requires the obligatory presence of a second semiconductor cooled amplifier, without which it is impossible to create a room interface with this device; (3) an increase in the temperature sensitivity of such a bolometric pixel is impossible without an increase in the resonator bandwidth, which inevitably leads to a limitation in the number of pixels on one common line. The creation of a parametric amplifier in which there is no compromise between sensitivity and bandwidth is a separate scientific and technical problem. In the practical implementation of an analogue for a kilopixel matrix, most likely, several parallel channels (several parametric amplifiers) will be required, which, despite the extreme simplicity of the matrix itself, can overly complicate the design of the matrix recorder. Neither the parametric amplifier, nor the method of its matching with the common line of the matrix for this analogue are discussed.

В качестве третьего аналога можно рассмотрим детектор-прототип, описанный и испытанный в работе (А.В. Меренков, Т.М. Ким, В.И. Чичков, С.В. Калинкин, С.В. Шитов. Сверхпроводящий болометрический детектор с высокочастотным считыванием при температуре 400 mK. Физика твердого тела. 2022. Т. 64, вып. 10. С. 1404-1411. DOI: 10.21883/FTT.2022.10.53081.50НН). Данный сверхпроводящий болометрический детектор, представляет собой интегральную планарную структуру, изготовленную на диэлектрической подложке и содержащую следующие части: четвертьволновой резонатор на основе сверхпроводящей планарной передающей линии СВЧ, сверхпроводящий пленочный микромостик с электронным газом при температуре близкой к температуре сверхпроводящего перехода, включенный в токовый разрыв резонатора, планарную антенну, согласованную с мостиком в полосе частот приема планарной антенны, отрезок линии передачи СВЧ для возбуждения/считывания резонатора с контактами для подключения внешнего генератора СВЧ. Все вышеперечисленные узлы являются типовыми для сверхпроводящих детекторов с частотной селекцией пикселей. Отличительной чертой данного аналога является способ подключения резонатора к мостику и к линии возбуждения/считывания, что позволяет решить проблему включения мостика с «удобным» импедансом в диапазоне 0,1-10 Ом прямо в резонатор без дополнительного трансдюсера и источника смещения постоянным током, как это сделано в первом аналоге.As a third analogue, we can consider a prototype detector described and tested in the work (A.V. Merenkov, T.M. Kim, V.I. Chichkov, S.V. Kalinkin, S.V. Shitov. Superconducting bolometric detector with high-frequency readout at a temperature of 400 mK, Solid State Physics, 2022, vol. 64, no. This superconducting bolometric detector is an integral planar structure fabricated on a dielectric substrate and containing the following parts: a quarter-wave resonator based on a superconducting planar microwave transmission line, a superconducting film microbridge with electron gas at a temperature close to the temperature of the superconducting transition, included in the current gap of the resonator, a planar antenna matched with the bridge in the planar antenna reception frequency band, a section of the microwave transmission line for excitation/readout of the resonator with contacts for connecting an external microwave generator. All of the above nodes are typical for superconducting detectors with frequency selection of pixels. A distinctive feature of this analogue is the method of connecting the resonator to the bridge and to the excitation / readout line, which allows solving the problem of including a bridge with a "convenient" impedance in the range of 0.1-10 Ohm directly into the resonator without an additional transducer and DC bias source, as it is done in the first analogue.

Данный аналог функционирует следующим образом. Терагерцовый сигнал разогревает микромостик с электронным газом, находящийся при температуре вблизи температуры сверхпроводящего перехода. Как и в первом аналоге, разогрев мостика меняет добротность СВЧ резонатора, который связан с линией возбуждения/считывания в диапазоне частот резонатора. Принципиальным отличием является прямое воздействие импеданса мостика на добротность резонатора.This analogue functions as follows. The terahertz signal heats up the microbridge with the electron gas, which is at a temperature close to the temperature of the superconducting transition. As in the first analogue, heating the bridge changes the quality factor of the microwave resonator, which is connected to the excitation/readout line in the frequency range of the resonator. The fundamental difference is the direct effect of the bridge impedance on the quality factor of the resonator.

Технический результат, достигаемый в данном аналоге, по сравнению с первым аналогом заключается в упрощении конструкции, позволяющей использовать мостик с «удобным» импедансом в диапазоне 0,1-10 Ом, включая его в резонатор без дополнительного трансдюсера и без использования устройства смещения постоянным напряжением. Параметрический усилитель, в принципе, может быть использован вместо полупроводникового, но вопрос широкополосности такого усилителя для большой матрицы остается проблемой.The technical result achieved in this analog, in comparison with the first analog, is to simplify the design, allowing the use of a bridge with a "convenient" impedance in the range of 0.1-10 Ohm, including it in the resonator without an additional transducer and without using a DC bias device. A parametric amplifier, in principle, can be used instead of a semiconductor one, but the issue of the bandwidth of such an amplifier for a large matrix remains a problem.

Технический результат по согласованию относительно высокоомного мостика в данном аналоге достигается за счет использования принципа частичного включения нагрузки в резонатор, что позволяет управлять уровнем рассеиваемой мощности и поддерживать высокую добротность независимо от импеданса мостика. Известно, что небольшой сегмент вблизи открытого конца планарного резонатора можно рассматривать как небольшую часть полной электрической емкости, определяющей частоту резонатора. Мысленно отсечем такой сегмент, назовем его «концевой» емкость C_b, считая, чтоThe technical result of matching a relatively high-resistance bridge in this analog is achieved by using the principle of partial inclusion of a load in the resonator, which allows you to control the level of power dissipation and maintain a high quality factor regardless of the impedance of the bridge. It is known that a small segment near the open end of a planar resonator can be considered as a small part of the total capacitance that determines the frequency of the resonator. Let's mentally cut off such a segment, call it the "terminal" capacity C _b , assuming that

где C_b - концевая емкость резонатора;where C _b - end capacitance of the resonator;

C_R - полная емкость резонатора.C _R is the total capacitance of the resonator.

Согласно закону Кирхгофа, ток, который проходит по сечению проводника резонатора, отделяющему концевую емкость, равен токам смещения, текущим через саму концевую емкость. Если включить мостик с сопротивлением R_b в этот разрыв, то эквивалентное значение активного импеданса, r_b, включенного в резонатор, можно рассчитать, используя комплексный импеданс параллельно и последовательно включенных элементов цепи, и этот импеданс окажется на порядки меньше сопротивления мостика:According to Kirchhoff's law, the current that passes through the cross section of the resonator conductor separating the terminal capacitance is equal to the displacement currents flowing through the terminal capacitance itself. If you include a bridge with resistance R _b in this gap, then the equivalent value of the active impedance, r _b , included in the resonator, can be calculated using the complex impedance of parallel and series-connected circuit elements, and this impedance will be orders of magnitude less than the resistance of the bridge:

где r_b - эквивалентное значение потерь, вносимых мостиком;where r _b is the equivalent value of the losses introduced by the bridge;

R_b - сопротивление мостика.R _b - bridge resistance.

Физически это означает, что омические потери, вносимые в резонатор произвольным R_b могут быть сделаны сколь угодно малыми, так как ток через R_b ограничен частичным значением C_b/C_R. Это и есть эффект частичного включения. Поскольку место включения мостика и терагерцовой антенны в данном аналоге привязано к открытому концу четвертьволнового резонатора, то участок возбуждения резонатора не может быть выполнен «традиционным» образом, как описано в первом аналоге и в работах по детекторам на кинетической индуктивности (Peter K Day, Henry G LeDuc, Benjamin A Mazin, Anastasios Vayonakis, Jonas Zmuidzinas. A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays. Nature. 2003 Oct 23;425(6960):817-21 DOI:10.1038/nature02037), где резонатор возбуждается электрическим полем со стороны открытого конца за счет емкостного элемента связи. Резонатор в рассматриваемом аналоге возбуждается обратным путем - магнитным полем через общий индуктивный элемент связи.Physically, this means that the ohmic losses introduced into the resonator by an arbitrary R _b can be made arbitrarily small, since the current through R _b is limited to a partial value of C _b /C _R . This is the effect of partial inclusion. Since the connection point of the bridge and the terahertz antenna in this analog is tied to the open end of the quarter-wave resonator, the resonator excitation section cannot be made in the “traditional” way, as described in the first analog and in works on kinetic inductance detectors (Peter K Day, Henry G LeDuc, Benjamin A Mazin, Anastasios Vayonakis, Jonas Zmuidzinas A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays Nature 2003 Oct 23;425(6960):817-21 DOI:10.1038/nature02037) where the resonator is excited by an electric field with side of the open end due to the capacitive coupling element. The resonator in the analog under consideration is excited in the opposite way - by a magnetic field through a common inductive coupling element.

Технический результат по прямому включению мостика с электронным газом в резонатор в данном аналоге основан также на правильном выборе частоты для возбуждения/считывания резонатора. Теория Маттиса-Бардина позволяет оценить сопротивление R_b(T) и крутизну сверхпроводящего перехода мостика, dR_b/dT, под воздействием СВЧ тока резонатора. Определив оптимальное сопротивление мостика, можно рассчитать точку включения такого нелинейного резистора в резонатор, как описано в работе (A. Kuzmin, S.V. Shitov, A. Scheuring, J.M. Meckbach, K.S. Il'in, S. Wuensch, A.V. Ustinov, M. Siegel. Development of TES Bolometers with High-Frequency Readout Circuit. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. January 2013. DOI:10.1109/TTHZ.2012.2236148). Экспериментальное исследование аналога-прототипа показало, что мостик с электронным газом может быть равно чувствителен к разогреву током антенны (ТГц частоты) и СВЧ-током резонатора (ГГц частоты, или RF). При этом на RF частотах мостик может сохранять нелинейность, аналогичную сенсору на сверхпроводящем переходе (TES). Эти свойства аналога позволили присвоить такой технологии детектирования название RFTES (Radio Frequency Transition Edge Sensor).The technical result for the direct inclusion of a bridge with electron gas in the resonator in this analogue is also based on the correct choice of frequency for excitation/readout of the resonator. The Mattis-Bardeen theory makes it possible to estimate the resistance R _b (T) and the steepness of the superconducting transition of the bridge, dR _b /dT, under the influence of the microwave current of the resonator. Having determined the optimal bridge resistance, it is possible to calculate the point of inclusion of such a nonlinear resistor in the resonator, as described in (A. Kuzmin, SV Shitov, A. Scheuring, JM Meckbach, KS Il'in, S. Wuensch, AV Ustinov, M. Siegel. Development of TES Bolometers with High-Frequency Readout Circuit IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology January 2013 DOI:10.1109/TTHZ.2012.2236148). An experimental study of the analogue prototype showed that the electron gas bridge can be equally sensitive to heating by the antenna current (THz frequency) and the microwave cavity current (GHz frequency, or RF). At the same time, at RF frequencies, the bridge can maintain a nonlinearity similar to a sensor based on a superconducting junction (TES). These properties of the analog made it possible to assign the name RFTES (Radio Frequency Transition Edge Sensor) to such a detection technology.

Преимуществом данного аналога является возможность использовать диапазон активных сопротивлений 0,1-10 Ом, сохраняя добротность резонатора Q на уровне 10⁴, а также малое влияние фазовых шумов генератора возбуждения/считывания резонатора. Принципиальное снижение влияние фазового и частотного шума генератора, используемого для возбуждения/считывания резонатора, объясняется активным импедансом мостика с электронным газом, что позволяет работать на центральной частоте резонатора, где отклик резонатора dP на изменение частоты df мал, то есть dP/df ≈ 0.The advantage of this analog is the ability to use the range of active resistances of 0.1-10 Ohm, while maintaining the quality factor of the resonator Q at 10 ⁴ , as well as a small effect of the phase noise of the excitation/readout generator of the resonator. The fundamental reduction in the influence of the phase and frequency noise of the generator used to excite/read the resonator is explained by the active impedance of the bridge with the electron gas, which makes it possible to operate at the center frequency of the resonator, where the response of the resonator dP to the frequency change df is small, i.e. dP/df ≈ 0.

Обобщая вышесказанное, приведенные аналоги основаны на эффекте резонансного согласования нелинейного импеданса с линией вывода сигнала к усилителю. Недостатком RFTES, который был обнаружен в процессе экспериментальных исследований, явилась общая для аналогов проблема - недостаточно эффективная связь чипа, установленного на ступени 30 мК криостата растворения, с полупроводниковым усилителем, расположенном на некотором удалении - на ступени 3-К того же криостата. Такая конфигурация, несмотря на хорошее согласование на чипе, приводит к увеличению влияния шумов усилителя и тем самым ограничивает перспективы дальнейшего повышения чувствительности болометрических детекторов с электронным газом и СВЧ считыванием. В традиционной радиотехнике похожую проблему, возникающую из-за длинных кабелей между антенной и приемным устройством, решают путем близкого расположения антенны и высокочастотного предусилителя, называя эту конструкцию «активная антенна». Аналогично поступают для приема сигналов на спутниковую антенну (спутниковую «тарелку»), располагая рупорный блок детектора и усилитель в едином корпусе. Такую конструкцию активной антенны по-другому называют антенной с активным детектором. Для сверхпроводящих приемных устройств на практике используют полупроводниковые усилители. Насколько известно автору изобретения, универсальный сверхмалошумящий параметрический усилитель, упоминаемый во втором аналоге, в настоящее время еще не реализован. Подобный усилитель, установленный непосредственно около детектора/болометра на ступени 30 мК криостата растворения, должен обладать сверхмалым тепловыделением. В этой связи следует обратить внимание на СВЧ усилители на основе сквидов постоянного тока, которые являются параметрическими усилителями с джозефсоновской самонакакой, то есть не требуют ни дополнительного генератора, ни комнатной электроники в цепи обратной связи, что дает им преимущества перед низкочастотными сквид-усилителями, используемыми с TES и HEDD болометрами. Приемлемые параметры можно реализовать, например, с помощью параметрического усилителя СВЧ на основе ПТ-сквида, исследованного в работе (G.V. Prokopenko, S.V. Shitov, I.L. Lapitskaya, V.P. Koshelets, J. Mygind, "Dynamic Characteristics of S-band DC SQUID Amplifier", IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 13, No 2, pp.1042-1045 (June 2003) DOI: 10.1109/TASC.2003.814146). Ожидаемые параметры усилителя, построенного по этим принципам, при физической температуре T_ph на рабочей частоте резонатора f [GHz] с добротностью резонатора Q могут быть следующими: усиление G ≈ 40/f, T_n ≈ 0.2T_ph, Δf ≈ f/Q.Summarizing the above, the above analogues are based on the effect of resonant matching of a non-linear impedance with the signal output line to the amplifier. The disadvantage of RFTES, which was discovered in the course of experimental studies, was a common problem for analogues - insufficiently effective communication of the chip installed at the 30 mK stage of the dissolution cryostat with a semiconductor amplifier located at some distance - at the 3-K stage of the same cryostat. This configuration, despite the good matching on the chip, leads to an increase in the effect of amplifier noise and thus limits the prospects for further increasing the sensitivity of bolometric detectors with electron gas and microwave reading. In traditional radio technology, a similar problem that arises from long cables between the antenna and the receiver is solved by placing the antenna and the high-frequency preamplifier close together, calling this design an "active antenna". The same is done to receive signals to a satellite dish (satellite dish), placing the horn block of the detector and the amplifier in a single housing. This design of an active antenna is otherwise called an antenna with an active detector. For superconducting receivers, semiconductor amplifiers are used in practice. As far as the author of the invention knows, the universal ultra-low noise parametric amplifier mentioned in the second analogue has not yet been implemented. Such an amplifier, installed directly near the detector/bolometer at the 30 mK stage of the dissolution cryostat, should have an ultra-low heat release. In this regard, attention should be paid to microwave amplifiers based on direct current SQUIDs, which are parametric amplifiers with Josephson self-sustaining, that is, they require neither an additional generator nor room electronics in the feedback circuit, which gives them advantages over low-frequency SQUID amplifiers used with TES and HEDD bolometers. Acceptable parameters can be implemented, for example, using a parametric microwave amplifier based on a PT-SQUID, studied in (GV Prokopenko, SV Shitov, IL Lapitskaya, VP Koshelets, J. Mygind, "Dynamic Characteristics of S-band DC SQUID Amplifier", IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 13, No 2, pp.1042-1045 (June 2003) DOI: 10.1109/TASC.2003.814146). The expected parameters of an amplifier built according to these principles at a physical temperature T _ph at the resonator operating frequency f [GHz] with a resonator quality factor Q can be as follows: gain G ≈ 40/f, T _n ≈ 0.2T _ph , Δf ≈ f/Q.

Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в принципиальном улучшении связи сверхпроводящего терморезистивного датчика, например, мостика с электронным газом, с параметрическим усилителем, встроенным в пиксель, а также в технической простоте получения такого результата.The technical result achieved in the invention consists in a fundamental improvement in the connection of a superconducting thermistive sensor, for example, an electron gas bridge, with a parametric amplifier built into the pixel, as well as in the technical simplicity of obtaining such a result.

Технический результат достигается в изобретении путем использования нового решения по объединению сверхмалошумящего параметрического усилителя на основе ПТ-сквида в непосредственной близости от детектора. Это обеспечивает передачу полезного сигнала со сверхпроводящего терморезистивного сенсора, например, от мостика с электронным газом, к предусилителю практически без потерь, что аналогично известному радиотехническому принципу под названием «активный детектор». Такое решение позволяет практически снять ограничение по ширине полосы усиления большой матрицы с частотной селекцией.The technical result is achieved in the invention by using a new solution for combining an ultra-low noise parametric amplifier based on a PT-SQUID in close proximity to the detector. This ensures transmission of a useful signal from a superconducting thermoresistive sensor, for example, from an electron gas bridge, to a preamplifier with almost no loss, which is similar to the well-known radio engineering principle called "active detector". This solution makes it possible to practically remove the limitation on the gain bandwidth of a large matrix with frequency selection.

Технический результат достигается в изобретении за счет того, что частотно-селективный резонатор детектора выполняет функцию согласующего трансформатора импеданса между терморезистивным сенсором, например, мостиком с электронным газом, и параметрическим сквид-предусилителем, обеспечивая максимально возможную передачу сигнала от сенсора на усилитель в пределах одного интегрального чипа. Сверхпроводящий мостик с антенной помещен в резонатор и функционирует так же, как описано в третьем аналоге (детектор-прототип). Принципиальное отличие изобретения от детектора-прототипа состоит в наличии двух дополнительных элементов: ПТ-сквида и сегмента резонатора - индуктора, создающего связь по магнитному полю между мостиком и входной петлей ПТ-сквида. Двухконтактный сквид выступает в роли узкополосного параметрического усилителя с входным импедансом порядка 1 Ом, что физически означает появление в резонаторе дополнительных потерь. При этом считывание сигнала с пикселя может производиться как с выхода ПТ-сквида, так и традиционно, с линии возбуждения резонатора.The technical result is achieved in the invention due to the fact that the frequency-selective resonator of the detector performs the function of an impedance matching transformer between a thermistive sensor, for example, a bridge with electron gas, and a parametric SQUID preamplifier, providing the maximum possible signal transmission from the sensor to the amplifier within one integral chip. The superconducting bridge with the antenna is placed in the resonator and functions in the same way as described in the third analogue (prototype detector). The fundamental difference between the invention and the prototype detector is the presence of two additional elements: a PT-SQUID and a resonator segment - an inductor that creates a magnetic field connection between the bridge and the input loop of the PT-SQUID. A two-contact SQUID acts as a narrow-band parametric amplifier with an input impedance of the order of 1 Ohm, which physically means the appearance of additional losses in the resonator. In this case, the signal reading from the pixel can be performed both from the output of the PT-SQUID, and traditionally, from the excitation line of the resonator.

Согласование мостика и усилителя использует рассмотренный выше принцип частичного включения потерь, который распространен на индуктивную часть резонатора. Если рассмотреть включение резистора параллельно малому сегменту общей индуктивности L_c, при выполнении следующих условий:The matching of the bridge and the amplifier uses the principle of partial inclusion of losses discussed above, which is extended to the inductive part of the resonator. If we consider the inclusion of a resistor in parallel with a small segment of the total inductance L _c , under the following conditions:

где L_c - индуктивность сегмента резонатора, связанная со сквидом;where L _c is the inductance of the resonator segment associated with the SQUID;

L_R - полная индуктивность резонатора.L _R is the total inductance of the resonator.

где R_sq - активный импеданс сквида;where R _sq - active impedance of the squid;

ω - круговая частота резонатора.ω is the circular frequency of the resonator.

При этих условиях эффективное сопротивление потерь включения сквида составитUnder these conditions, the effective resistance of the SQUID turn-on losses will be

Таким образом r_sq может быть сделано очень малым, много меньше входного импеданса сквида. Если на частоте резонатора подобрать параметры цепи так, чтобы выполнить условие равенства вносимых потерь от сквида и от мостика:Thus r _sq can be made very small, much less than the input impedance of the squid. If, at the resonator frequency, the circuit parameters are selected so as to fulfill the condition of equality of insertion losses from the SQUID and from the bridge:

то мы реализуем условие полного согласования источника сигнала R_b и сквид-усилителя, R_sq. При этом связь резонатора с линией возбуждения может быть сделана малой, и потерями в резонаторе за счет этой связи можно пренебречь.then we implement the condition of complete matching of the signal source R _b and the SQUID amplifier, R _sq . In this case, the connection between the resonator and the excitation line can be made small, and losses in the resonator due to this connection can be neglected.

Изобретение поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 общий вид чипа активного сверхпроводящего детектора, на фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема, поясняющая согласование терморезистивного датчика и усилителя в составе чипа активного сверхпроводящего детектора.The invention is illustrated by drawings, which show: in Fig. 1 is a general view of an active superconducting detector chip, in FIG. 2 is an equivalent circuit diagram illustrating the matching of a thermistor sensor and an amplifier in an active superconducting detector chip.

Фиг. 1 иллюстрирует устройство чипа активного сверхпроводящего детектора, который включает в себя следующие элементы, обозначенные цифрами: диэлектрическая подложка 1, которая является оптически прозрачной на частотах принимаемого электромагнитного излучения и покрыта сплошным слоем сверхпроводящего металла, выполняющим роль СВЧ экрана, в котором сформированы остальные элементы устройства: резонатор 2, выполнен в виде четвертьволнового отрезка копланарного волновода, который закорочен на одном конце на экран, а в районе отрытого конца резонатора установлен терморезистивный мостик 3, согласованный с двухщелевой планарной антенной 4. Резонатор возбуждается линией 5, на которую с контактов 6 подается монохроматический сигнал в полосе резонатора, и которая имеет с резонатором общий проводник 7, через который осуществляется магнитная связь, а также остается возможность традиционного метода считывания с контактов 6, если встроенный параметрический усилитель выключен (находится в сверхпроводящей состоянии). Параметрический усилитель на основе ПТ-сквида состоит из индуктора 8, по которому протекает ток резонатора, и который создает магнитный поток в петлю сквида 9, куда включены два джозефсоновских контакта 10, имеющие средний вывод 11, на который подается токовое смещение и выводится усиленный сигнал. Концевая емкость резонатора 12 определяет коэффициент включения мостика в резонатор.Fig. 1 illustrates the device of an active superconducting detector chip, which includes the following elements, indicated by numbers: dielectric substrate 1, which is optically transparent at the frequencies of the received electromagnetic radiation and is covered with a continuous layer of superconducting metal, which acts as a microwave screen, in which the remaining elements of the device are formed: resonator 2 is made in the form of a quarter-wave segment of a coplanar waveguide, which is shorted at one end to the screen, and in the region of the open end of the resonator, a thermal-resistive bridge 3 is installed, matched with a two-slot planar antenna 4. The resonator is excited by line 5, to which a monochromatic signal is fed from contacts 6 in the resonator band, and which has a common conductor 7 with the resonator, through which magnetic coupling is carried out, and the possibility of the traditional method of reading from contacts 6 remains, if the built-in parametric amplifier is turned off (is in a superconducting state). A parametric amplifier based on a PT-SQUID consists of an inductor 8, through which the resonator current flows, and which creates a magnetic flux into the SQUID loop 9, where two Josephson contacts 10 are connected, having an average output 11, to which a current bias is applied and an amplified signal is output. The end capacitance of the resonator 12 determines the inclusion ratio of the bridge into the resonator.

Фиг. 2 (а) иллюстрирует эквивалентную схему активного сверхпроводящего детектора: цифры на эквивалентной схеме соответствую цифрам на фиг. 1. Резонатор 2, нагруженный мостиком 3 с сопротивлением R_b, описывается емкостью C_R, концевой емкостью 12 (C_b), и индуктивностями L_R и 8 (L_c). Элементы терагерцовой антенны 4 не показаны, так как ее импеданс пренебрежимо мал на частотах в полосе резонатора. Линия возбуждения 5 с контактами 6 представлена лишь сегментом магнитной связи 7, величина которого не играет принципиальной роли в данном рассмотрении. Импеданс петли сквида 9 пренебрежимо мал по сравнению с импедансом джозефсоновских контактов 10. Выходная цепь сквида 11 не показана, так как она не влияет на работу схемы. Фиг. 2(б) иллюстрирует преобразование эквивалентной схемы с фиг. 2(a) в цепь с последовательным включением потерь, обозначенных резисторами r_sq и r_b. Параметры цепи выбираются так, чтобы эти эквивалентные потери в рабочем режиме были равны.Fig. 2(a) illustrates the equivalent circuit of an active superconducting detector: the numbers in the equivalent circuit correspond to those in FIG. 1. Resonator 2, loaded with bridge 3 with resistance R _b , is described by capacitance C _R , terminal capacitance 12 (C _b ), and inductances L _R and 8 (L _c ). The elements of the terahertz antenna 4 are not shown, since its impedance is negligible at frequencies in the resonator band. The excitation line 5 with contacts 6 is represented only by a magnetic coupling segment 7, the value of which does not play a fundamental role in this consideration. The loop impedance of SQUID 9 is negligible compared to that of the Josephson junctions 10. The output circuit of SQUID 11 is not shown as it does not affect the operation of the circuit. Fig. 2(b) illustrates the conversion of the equivalent circuit of FIG. 2(a) into a circuit with losses in series, indicated by resistors r _sq and r _b . The circuit parameters are chosen so that these equivalent operating losses are equal.

Изобретение реализуется методами, аналогичными тем, что применяются для большинства других микросхем СВЧ. На первом этапе производится расчет топологии с помощью одного из известных пакетов электромагнитного моделирования [Cadence AWR Microwave Office https://www.awr.com/awr-software/products/awr-design-environment, Ansys HFSS https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss и др.], исходя из желаемой полосы частот, а изготовление - с использованием стандартных приемов тонкопленочных технологий [Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Высш. шк., 1986. - 368 с., ил.]. На гладкую поверхность диэлектрической подложки 1, подходящей формы и предварительно очищенную, осаждается пленка 10-50 нм из материала, который проявляет эффект электронного газа, например, гафний, и формируется мостик 3. После мостика формируются более массивные компоненты схемы из пленок толщиной 100-200 нм: резонатор 2, антенна 4, линия возбуждения 5 с контактами 6 и участком связи с резонатором 7, индуктор резонатора со сквидом 8, петля сквида 9, а также контакт смещения сквида 11. Сверхпроводящие пленки осаждаются одним из известных методов: термическим испарением, магнетронным или электронно-лучевым осаждением в вакууме - это зависит от конкретных материалов. Сверхпроводящим материалом пленок может быть ниобий, алюминий, нитрид ниобия и др. Осажденные пленки подвергаются литографической обработке в условиях чистой зоны. Структура, включающая в себя мостик 3, тело резонатора и относительно массивные электроды могут быть сформированы с помощью процессов обратной литографии (lift-off), плазмохимического или жидкостного травления пленок с использованием полимерных масок, полученных методом оптической или электронно-лучевой литографии. Материал и морфология мостика 3 должны удовлетворять условию, что его критическая температура лежит ниже критической температуры подводящих электродов. Выбранный технологический процесс должен быть совместим с процессом изготовления ПТ-сквида, важнейшей частью которого являются джозефсоновские контакты 10. Туннельные джозефсоновские контакты сквида могут быть получены окислением поверхности алюминия в атмосфере чистого кислорода.The invention is implemented by methods similar to those used for most other microwave microcircuits. At the first stage, the topology is calculated using one of the well-known electromagnetic modeling packages [Cadence AWR Microwave Office https://www.awr.com/awr-software/products/awr-design-environment, Ansys HFSS https://www.ansys .com/products/electronics/ansys-hfss, etc.], based on the desired frequency band, and manufacturing using standard thin-film technologies [Kurnosov A.I., Yudin V.V. Technology for the production of semiconductor devices and integrated circuits. - M.: Higher. school, 1986. - 368 p., ill.]. A 10-50 nm film of a material that exhibits the effect of electron gas, such as hafnium, is deposited on the smooth surface of the dielectric substrate 1, which is of a suitable shape and pre-cleaned, and a bridge 3 is formed. After the bridge, more massive components of the circuit are formed from films with a thickness of 100-200 nm: resonator 2, antenna 4, excitation line 5 with contacts 6 and connection section with resonator 7, resonator inductor with SQUID 8, SQUID loop 9, and SQUID bias contact 11. Superconducting films are deposited by one of the known methods: thermal evaporation, magnetron or vacuum electron beam deposition - it depends on the specific materials. The superconducting material of the films can be niobium, aluminum, niobium nitride, etc. The deposited films are subjected to lithographic processing in a clean zone. The structure, which includes the bridge 3, the resonator body, and relatively massive electrodes, can be formed using reverse lithography (lift-off), plasma-chemical or liquid etching of films using polymer masks obtained by optical or electron beam lithography. The material and morphology of the bridge 3 must satisfy the condition that its critical temperature lies below the critical temperature of the supply electrodes. The selected technological process must be compatible with the manufacturing process of the PT-squid, the most important part of which are Josephson contacts 10. Tunneling Josephson squid contacts can be obtained by oxidizing an aluminum surface in an atmosphere of pure oxygen.

Преимущества изобретения состоят в улучшении чувствительности сверхпроводящего терморезистивного датчика до предела, разрешенного фундаментальными соотношениями для чувствительности детектора, а именно квантовыми флуктуациями регистрируемого излучения, а также в технической простоте получения такого результата. Условие узкополосного резонансного согласования между мостиком и усилителем гарантирует высокую степень помехозащищенности канала усиления. Изобретение позволяет реализовать максимально возможную передачу сигнала от сверхпроводящего терморезистивного мостика к предусилителю на основе ПТ-сквида, который может иметь собственные шумы вблизи квантового предела на частоте резонатора. Индивидуальный параметрический усилитель позволяет объединить виртуально неограниченное число пикселей без возникновения проблемы широкополосного усиления. В таком пикселе сохраняется возможность традиционного считывания с использованием линии возбуждения резонатора, куда можно подключить продвинутый полупроводниковый или параметрический усилитель. При этом встроенный усилитель можно отключить без потерь сигнала, переведя сквид в сверхпроводящее состояние.The advantages of the invention consist in improving the sensitivity of the superconducting thermistive sensor to the limit allowed by the fundamental relations for the sensitivity of the detector, namely the quantum fluctuations of the detected radiation, as well as in the technical simplicity of obtaining such a result. The condition of narrow-band resonant matching between the bridge and the amplifier guarantees a high degree of noise immunity of the amplification channel. The invention makes it possible to realize the maximum possible signal transmission from a superconducting thermistive bridge to a preamplifier based on a PT-SQUID, which can have its own noise near the quantum limit at the resonator frequency. A custom parametric amplifier allows you to combine a virtually unlimited number of pixels without the problem of wideband amplification. Such a pixel retains the possibility of traditional reading using a resonator excitation line, where an advanced semiconductor or parametric amplifier can be connected. In this case, the built-in amplifier can be turned off without signal loss by transferring the SQUID to the superconducting state.

Claims

An active superconducting detector, which is an integral planar structure made on a dielectric substrate and containing the following parts: a resonator based on a superconducting planar microwave transmission line; thermoresistive film bridge included in the current discontinuity of the resonator; a planar antenna matched to the bridge in the antenna receiving band; a section of a microwave transmission line for excitation of a resonator with contacts for connecting an external microwave generator, as well as a direct current squid, and characterized in that an inductor is included in the current gap of the resonator, generating a magnetic field that acts on the squid, and the bridge and the inductor at their connection points to the resonator simultaneously satisfy the condition of matching with the impedance of the resonator in the frequency band of the resonator.