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一个由N(N > 2)个约瑟夫森结并联构成的二端子网络,在电流源Ib的偏置下,可获得一个单峰的磁通-电压传输特性曲线。因其特性曲线与陷波滤波器(Notch filter)传输特性曲线形状类似,而将该二端子网络命名为超导量子干涉滤波器(superconducting quantum interference filter, SQIF)。SQIF的等效电路,如图1(a)所示。
图1. SQIF的电路图及磁通传输网络图
SQIF的磁通传输网络图,如图1(b)所示。其中的N个约瑟夫森结,都是磁通传输器或磁通发生器(magnetic-flux generator,MFG)[1] [2]。它们嵌入在(N–1)个环路中,这些环路就是相应的磁通容器(magnetic-flux container,MFC),用于存储MFG注入的磁通。
SQIF的MFF图,如图2所示。可以看到,SQIF就是一个磁通传输流水线。其中,偏置电流Ib加载在MFG-N 上。
当偏置电流Ib足够大,MFG-N将不断抽走Loop-(N-1)中的磁通,进而带动其他MFG逐级向右方环路补入磁通,从而形成磁通量子沿流水线持续流动的工作机制。
磁通传输流水线的平均流速就是SQIF的电压输出信号。该流速受到各个环路输入磁通的调节。由于调节的强度各不相同,最终使得SQIF形成了特有的单峰形磁通-电压特性曲线。
图2. SQIF电路的MFF图
SQIF的MFF图,与图3所示的系统模型对应。该系统模型的数值计算,可以仿真出SQIF的单峰磁通-电压特性曲线。
图3. SQIF的系统模型
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电磁场通量分配模型(Electromagnetic-Flux-Distribution Model)[1]是一种以电荷和磁通为载流子,分析电路,特别是相位相关(phase-dependent)电路(如约瑟夫森结电路,相滑移结电路)的通用模型;其对应的 磁通流通图(Magnetic-Flux-Flow diagram,MFF diagram)[2][3]和电通流图(Electric-charge-flow diagram,ECF diagram)[4] 是描绘电荷和磁通传输的新型交互式电路图,能帮助我们更直观地分析载流子的电磁场相互作用,加深对电路功能的理解。特别的,MFF图以磁通为载流子,直观地诠释了 具有宏观量子效应的超导约瑟夫森结电路 的工作原理。
[1] Y. L. Wang, "An Electromagnetic-Flux-Distribution Model for Analyses of Superconducting Josephson Junction Circuits and Quantum Phase-Slip Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, no. 5, pp. 1-6, Aug 2022.
[2] Y. L. Wang, "Magnetic-Flux-Flow Diagrams for Design and Analysis of Josephson Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 33, no. 7, pp. 1-8, Oct 2023
[3] Y. L. Wang, "A general flux-Based Circuit Theory for Superconducting Josephson Junction Circuits," arXiv:2308.01693, pp. 1-35, 2023.https://doi.org/10.48550/arXiv. 2308.01693
[4] Y. L. Wang, " Electromagnetic-Field-Based Circuit Theory and Charge-Flux-Flow Diagrams," arXiv:2403.16025, pp. 1-40, 2024.https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.16025
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