约瑟夫森结

摘要： 生物神经元是神经系统处理信号的基本单元,其复杂的解剖结构和突触可塑性使得神经元对外界刺激具有很强的自适应性,其放电模态也具有多样性。在脑皮层内存在不同的功能区,功能区内的神经元聚集成不同拓扑结构的网络,相互协作对单一外部刺激进行编码。不同功能区的神经元相互通信,以多层网络同步方式传递信号,驱动肌体和器官协作来完成应激反应。神经元网络群体电活动主要取决于网络局域动力学、连接链路和耦合通道的物理属性,网络拓扑结构及物理效应。构建可靠的生物物理神经元模型,强化耦合通道的可控性,分析神经元网络同步和斑图演化过程中能量输运的特征,噪声驱动的物理机理,神经系统选频和滤波响应的物理机制等对于认知神经系统模态响应和预防神经性疾病具有重要意义。本文从单个神经元电路的功能强化,如在非线性电路嵌入不同的物理器件来设计感知温度、光照、声波、外磁场和电磁辐射的功能神经元电路,到神经元电路内部能量存储和交换,听觉和视觉神经元滤波选频,耦合通道耗能和储能,场能量无量纲化到哈密顿能量,场耦合同步到共振同步,神经元网络斑图及同步稳定性,系统地介绍和评论神经元功能性增强及网络动力学相关问题,为进一步设计智能化的功能神经元阵列和装置提供理论参考。

摘要： 传统热氧化方式制备约瑟夫森结中AlO_(X)势垒层是将高纯度氧气扩散到Al表面进行,但该方式制备的势垒层氧化不完全,厚度难以精准控制.本文采用原子层沉积方式在金属Ti表面逐层生长Al_(2)O_(3)势垒层,并制备出三明治结构的Ti/Al_(2)O_(3)/Ti约瑟夫森结.通过调节Al_(2)O_(3)势垒层的沉积厚度和约瑟夫森结的面积研究了其相应的微观结构及电学性质.实验结果表明,原子层沉积方式生长的单层Al_(2)O_(3)薄膜厚度约为1.17Å(1Å=10^(-10)m),达到原子级控制势垒层厚度,通过调节势垒层厚度实现了对结室温电阻值的控制,并通过优化结面积获得了室温电阻均匀性良好的约瑟夫森结.

摘要： 拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的工作主要集中在由s波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中,我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上,Fu和Kane提出,通过近邻效应将s波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体,可以诱导出拓扑超导电性。在实验上,我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分,我们介绍了一些异质结,包括:三维拓扑绝缘体Bi_(2)Se_(3)和Bi_(2)Se_(3)与s波超导体NbSe_(2)以及d波超导体Bi_(2)Sr_(2)CaCu_(2)O_(8)+δ的异质结,拓扑绝缘体Sn_(1−x)Pb_(x)Te与Pb的异质结,二维拓扑绝缘体WTe_(2)与NbSe_(2)的异质结。此外,还介绍了TiBiSe_(2)在Pb上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中,我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾,包括著名的基于Fu-Kane体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结,以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。

摘要： 为更好地研究直流超导量子干涉器件(Direct Current Superconducting Quantum Interference Device,DC-SQUID)串联阵列的直流特性,我们基于约瑟夫森结RSJ(Resistively Shunted Junction)模型建立了适用于DC-SQUID串联阵列的直流关系方程,并通过求解等效福克-普朗克方程,获得了高斯白噪声影响下DC-SQUID串联阵列直流特性的解析表达式.DC-SQUID串联阵列的实测结果验证了本文所提理论公式的正确性.实验结果表明:DC-SQUID串联阵列在低温下具有超高的Fano因子,亟待进一步深入研究.

摘要： 超导量子计算是当下世界范围内被广泛关注的研究课题之一,近年来许多文献报道了利用超导量子比特对特定物理过程的研究和仿真,在新近的一些工作里其应用范围已经超出了物理学研究范围,在化学、信息学等领域也得到了很好的结果.超导量子计算器件首先要对超导电路进行量子化.本文针对超导量子计算芯片(量子比特)中的超导电路总结了一套规范、实用的量子化方法,并以此方法对位相量子比特超导电路进行了量子化并给出了其哈密顿量.本文思路与方法对新型量子比特或其他超导电路的设计与研究也有一定帮助.

摘要： 超导约瑟夫森结是实现超导量子计算和微波单光子探测的核心器件,其物理参数很难直接测定.与之前常用的测量结微波激励效应估计方法不同,本文通过实验测量低频电流驱动下的约瑟夫森结I-V曲线及其跳变电流统计分布,并与基于标准电阻电容分路结模型数值模拟进行比对,推算出了约瑟夫森结的临界电流Ic、电容C、电阻R及阻尼参数βc等物理参数.结果表明,所推算的参数值与基于微观理论推导所得到的Amb-gaokar-Baratoff公式基本符合,可供约瑟夫森结的器件参数按需设计和制备工艺的参数设置等参考.

摘要： 时间晶体的首次构造成功使人们意识到超导量子计算以其拥有的诸多优点在物理学前沿问题的研究应用上走在了其他量子计算方案的前面。作为“物理前沿介绍———超导量子计算”系列的第三篇,本文系统阐述多种超导量子比特的基本组成以及其物理特征,给出一个超导量子比特的“谱”并对新近发现的研究结论和新近提出的设计方案进行讨论,最后对超导量子比特全新设计进行展望并提出一种3D nSQUID设计设想。本文旨在帮助广大高校物理专业教师、高年级本科生、研究生以及对超导量子计算感兴趣的理工科背景读者系统了解不同的超导量子比特设计与特性,同时也有益于专业从事超导量子计算的专业科研人员开阔超导量子比特的设计思路。

摘要： 基于量子力学态叠加性和纠缠性的量子计算,以其指数级增长的庞大计算空间和更高级的信息抽象能力,为计算提供了新的范式.这一新技术有可能解决一些经典计算无法解决的计算难题,同时解决经典计算的功耗问题.超导效应作为一种宏观量子效应,为量子态相干操控提供了绝佳的无损耗环境,而约瑟夫森结为构建量子比特提供了必要的能级分立性和非线性.经过二十余年的高速发展,基于超导量子电路的量子计算技术已经在退相干时间、量子态操控和读取、量子比特间可控耦合、中大规模扩展等关键技术上取得大量突破,成为构建通用量子计算机和量子模拟机最有前途的候选技术路线之一.文章就这一技术做一个简要的介绍和梳理,以令读者了解整个技术脉络为目标,尽可能不涉及复杂的符号和公式.最后,还简要讨论了超导量子计算发展的未来,并指出其中部分关键技术难点.

摘要： 用超导量子电路系统构建一个量子处理器,处理器中的超导量子比特由电容器直接连接并且由门电源来控制,系统的演化由单轴旋转的哈密顿量来实现,通过调节各量子比特上的门电压、外磁通量和微波脉冲,一步式实现了3个量子比特的GHZ纠缠态,该方法可以推广到任意量子比特的情况.

摘要： 由于太赫兹波频率很高，使其很难耦合进入约瑟夫森结，所以增强约瑟夫森结与太赫兹波的耦合能力，可以显著提高约瑟夫森结混频器的性能指标。本文的主要工作是在小型脉冲管制冷机(工作温度约60K)上搭建了高温超导约瑟夫森结太赫兹谐波混频系统，并采取了一系列措施增强结与太赫兹波的耦合。所采取的措施主要有：研究不同基片对结的影响并最终选择MgO做为双晶结基片，设计平面周期对数天线以及使用一个超半球硅透镜和两个离轴抛物面反射镜组成准光学系统等。最终成功在小型脉冲管制冷机中获得结对623GHz太赫兹波的响应，并且成功进行24次谐波混频实验。

摘要： 本文研究约瑟夫森结特性，将Patrick Crotty提出的用约瑟夫森结组成的超导电路来模拟生物神经元与量子计算相结合，提出了一种约瑟夫森结量子神经元模型及其学习算法。实验结果表明，约瑟夫森结量子神经元具有较好的收敛性能。应用量子计算方法分析该量子神经元模型的量子逻辑运算功能，分析证明单个约瑟夫森结量子神经元能够实现单个经典神经元无法实现的XOR函数。

摘要： 基于约瑟夫森结的RSJ模型，采用Matlab程序对无微波辐照和微波辐照下约瑟夫森结的特性进行了数值计算求解，并给出了Ⅰ-Ⅴ特性曲线，观察到量子化电压台阶。

摘要： 通过数值计算,深入研究了处于直流零电压状态的约瑟夫森结的非线性电感特性,绘制了约瑟夫森结的等效电感与临界电流和偏置电流的关系曲线.研究了非线性失真的类型,并计算出非线性失真与输入信号电流及偏置电流的关系.计算结果说明约瑟夫森结可以作为可调谐电感器应用.

摘要： 提出了理想约瑟夫森结在电路仿真软件PSPICE中的模型,利用这个模型对约瑟夫森结的交流约瑟夫森效应及Ⅰ-Ⅴ特性进行了模拟仿真.结果表明,提出的模型是正确的,可以利用这个模型在PSPICE中对约瑟夫森结及相关电路进行仿真研究.

摘要： 超导量子计算利用了约瑟夫森结的量子性质,借助于成熟的微电子学技术制造,易于集成化、规模化.特别是,量子器件与纳米技术结合的研究,更使其成为量子计算物理实现的有力竞争者.本文重点研究了约瑟夫森电荷量子比特,首先叙述了约瑟夫森效应的原理,然后对约瑟夫森电荷比特的设计及调控做了介绍,尤其对耦合电荷量子比特的逻辑门操作进行了讨论。

摘要： 设计了与小型脉冲管制冷机配套的高温超导混频测量系统,实现了高温超导约瑟夫森结3mm波段的96次谐波混频。在此基础上,完成了最高60次谐波的3mm压控振荡器锁相稳频工作。实验结果表明,振荡器的频谱纯度得到了很大的提高,实现了高温超导谐波混频器锁相稳频源。

摘要： 文中详细介绍了噪声对超导量子比特测量系统的影响.其测量系统是通过对时间的测量来获得单个约瑟夫森结跳变电流统计分布P(I).在测量电路中采取了一系列的降噪措施,使得实验所能测到的约瑟夫森结的最低等效温度进一步的降低.

摘要： 根据交流Josephson效应,我们研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔里的串联双晶Josephson结阵列的微波辐照特性.结阵列是由生长在双晶钇稳定氧化锆(YSZ)基片上的YB2Cu3O7(YBCO)超导薄膜光刻成微桥得到的.实验表明,当电场方向与晶界的夹角为0°时,具有86个串联双晶Josephson结的阵列可以在70-80 GHz微波的辐照下产生相位同步,得到陡峭的台阶.另外,将这种结阵列与THz-Fabry Perot谐振腔相结合,则可以设计成TH约瑟夫森结阵列辐射源.

摘要： 基于小型脉冲管制冷机,设计并改善了与其配套的锁相混频系统,用约瑟夫森颗粒边界结实现了高温超导3mm波段96次谐波混频,完成了60次谐波下压控振荡器的锁相稳频实验.首次实现了基于小型脉冲管制冷机的实用高温超导混频器3mm锁相稳频源.

摘要： 本发明提供了一种约瑟夫森结、约瑟夫森结阵列、其制备方法和用途，所述约瑟夫森结的制备方法包括：选用A面蓝宝石作为衬底，基于小的晶格错配度，可制备出表面平整的准外延Ta（110）超导薄膜，作为约瑟夫森结下电极；进一步地，借助氧化或者沉积方法形成致密、稳定且可控的Ta2O5氧化层作为约瑟夫森结中间层；其上再沉积一层Ta超导层作为约瑟夫森结上电极；后兼容光刻和空气桥方案进行超导电路制备及结电极的导通，完成约瑟夫森结阵列制备。所涉及方案中采用化学钝化方式对超导电路及约瑟夫森结进行保护。本发明避免了复杂的悬胶和双倾角蒸镀等工艺步骤，具有工艺步骤简洁，成品率高、可规模化等特点。

摘要： 本发明公开了一种约瑟夫森结的制备方法及约瑟夫森结，包括以下步骤：提供一衬底，在衬底上形成牺牲层，在牺牲层上形成感光层，在牺牲层中形成第一沟道，在感光层中形成第二沟道；衬底在第一沟道、第二沟道处形成衬底暴露区；在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层；去除牺牲层和感光层；去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第二绝缘材料层；在第二绝缘材料层表面、衬底表面形成第二超导金属材料层；图形化第二超导金属材料层，刻蚀至第二绝缘材料层，第二超导金属材料层与带有第二绝缘材料层的第一超导金属材料层交叉形成约瑟夫森结。

摘要： 本发明实施例提供了一种约瑟夫森结、约瑟夫森结的制备方法、装置及超导电路。约瑟夫森结包括：第一电极层，用于实现信号传输；第二电极层，用于实现信号传输；绝缘层，设置于第一电极层和第二电极层之间，以形成约瑟夫森结；第一电极层和第二电极层由预设材料构成，绝缘层由与预设材料相对应的化合物构成，预设材料包括非铝的超导材料,以延长超导量子比特的相干时间。本实施例有效地实现了通过非铝的超导材料来制备约瑟夫森结，由于上述材料具有晶格结构稳定的特征，有效地避免了因晶格结构存在缺陷而消耗能量，并且上述材料能够延长超导量子比特的相干时间，有利于提高超导量子比特计算的准确性，同时提高了所制备的约瑟夫森结的质量和效率。

摘要： 本发明实施例提供了一种约瑟夫森结、约瑟夫森结的制备方法、装置及超导电路。约瑟夫森结包括：第一电极层，用于实现信号传输；第二电极层，用于实现信号传输；绝缘层，设置于第一电极层和第二电极层之间，以形成约瑟夫森结；第一电极层和第二电极层由预设材料构成，绝缘层由与预设材料相对应的化合物构成，预设材料包括非铝的超导材料,以延长超导量子比特的相干时间。本实施例有效地实现了通过非铝的超导材料来制备约瑟夫森结，由于上述材料具有晶格结构稳定的特征，有效地避免了因晶格结构存在缺陷而消耗能量，并且上述材料能够延长超导量子比特的相干时间，有利于提高超导量子比特计算的准确性，同时提高了所制备的约瑟夫森结的质量和效率。

摘要： 本申请提供一种用于制备约瑟夫森结的样品台和制备约瑟夫森结的方法，用于制备约瑟夫森结的样品台包括：样品固定座，垂直设置于制备所述约瑟夫森结的蒸发源的顶部，用于制备所述约瑟夫森结的基片固定于所述样品固定座；倾角调节组件，耦接于所述样品固定座的上方，所述倾角调节组件用于调节所述样品固定座的倾角；自转调节组件，耦接于所述样品固定座的上方，所述自转调节组件用于带动所述样品固定座自转。样品台垂直设置于蒸发源的顶部，在使用过程中不会对蒸发设备水平方向上的布局造成影响，有效地解决了安装的问题。本申请的样品台能够满足约瑟夫森结制备过程中两个蒸发方向上的性能需求。

摘要： 本发明提供了一种约瑟夫森结制备方法及约瑟夫森结。本发明的约瑟夫森结制备方法，包括以下步骤：向工艺腔内通入氩气和氮气，在氩气和氮气的作用下通过靶材对工艺腔内的约瑟夫森结进行镀膜，得到表面镀有氮化层的约瑟夫森结。本发明的约瑟夫森结金属层镀膜方法的有益效果在于：通过向密闭的工艺腔内通入氩气和氮气，并电离氩气和氮气得到氮离子体和氩离子体，氩离子体轰击工艺腔上侧的靶材得到靶材的原子团，靶材的原子团与氮离子体结合在约瑟夫森结的表面形成一层靶材氮化物，靶材氮化物层的形成能够避免约瑟夫森结的顶层金属层于空气接触，避免顶层金属层氧化，进而能够提升约瑟夫森结的稳定性，降低约瑟夫森结造成的器件扰动频次以及幅度。

摘要： 本发明提供了一种约瑟夫森结制备装置、方法及约瑟夫森结。该装置包括输送单元、第一沉积单元、第二沉积单元、光刻单元和刻蚀单元，通过第一沉积单元和第二沉积单元制备约瑟夫森结，通过光刻单元和刻蚀单元对约瑟夫森结进行图形化。本发明的约瑟夫森结制备装置通过真空通道对第一沉积单元、第二沉积单元、光刻单元和刻蚀单元进行连通，通过第一沉积单元、第二沉积单元、光刻单元和刻蚀单元分别设置于真空通道的不同侧面，通过输送单元对约瑟夫森结在四个加工单元内进行输送，能够极大的降低约瑟夫森结在制备和图形化过程中需要移动的距离，降低传递过程会对器件性能的影响，保证约瑟夫森结薄膜质量的一致性。

摘要： 本发明提供了一种约瑟夫森结、约瑟夫森结阵列、其制备方法和用途，所述约瑟夫森结的制备方法包括：选用A面蓝宝石作为衬底，基于小的晶格错配度，可制备出表面平整的准外延Ta（110）超导薄膜，作为约瑟夫森结下电极；进一步地，借助氧化或者沉积方法形成致密、稳定且可控的Ta2O5氧化层作为约瑟夫森结中间层；其上再沉积一层Ta超导层作为约瑟夫森结上电极；后兼容光刻和空气桥方案进行超导电路制备及结电极的导通，完成约瑟夫森结阵列制备。所涉及方案中采用化学钝化方式对超导电路及约瑟夫森结进行保护。本发明避免了复杂的悬胶和双倾角蒸镀等工艺步骤，具有工艺步骤简洁，成品率高、可规模化等特点。

摘要： 本发明公开了一种约瑟夫森结的制备方法及约瑟夫森结，包括以下步骤：提供一衬底，在衬底上形成牺牲层，在牺牲层上形成感光层，在牺牲层中形成第一沟道，在感光层中形成第二沟道；衬底在第一沟道、第二沟道处形成衬底暴露区；在衬底暴露区、感光层表面形成第一超导金属材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第一绝缘材料层；去除牺牲层和感光层；去除第一超导金属材料层表面的第一绝缘材料层；氧化第一超导金属材料层，形成第二绝缘材料层；在第二绝缘材料层表面、衬底表面形成第二超导金属材料层；图形化第二超导金属材料层，刻蚀至第二绝缘材料层，第二超导金属材料层与带有第二绝缘材料层的第一超导金属材料层交叉形成约瑟夫森结。

摘要： 本发明实施例提供了一种约瑟夫森结、约瑟夫森结的制备方法、装置及超导电路。约瑟夫森结包括：第一电极层，用于实现信号传输；第二电极层，用于实现信号传输；绝缘层，设置于第一电极层和第二电极层之间，以形成约瑟夫森结；第一电极层和第二电极层由预设材料构成，绝缘层由与预设材料相对应的化合物构成，预设材料包括非铝的超导材料,以延长超导量子比特的相干时间。本实施例有效地实现了通过非铝的超导材料来制备约瑟夫森结，由于上述材料具有晶格结构稳定的特征，有效地避免了因晶格结构存在缺陷而消耗能量，并且上述材料能够延长超导量子比特的相干时间，有利于提高超导量子比特计算的准确性，同时提高了所制备的约瑟夫森结的质量和效率。