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超导量子干涉仪阵列(SQUID-array),是由P(P > 2)个直流超导量子干涉仪(DC-SQUID)串联而成的二端子网络,如图1(a)所示。在电流源Ib的偏置下,SQUID-array将产生受磁通调制的电压信号,并驱动负载阻抗为RL的后级放大电路。
图1. SQUID-array的电路图及其MFF图
SQUID-array中的2P个约瑟夫森结,以及负载电阻RL与电流源Ib的并联组合,形成了(N+1,N = 2P)个磁通传输器或磁通发生器(magnetic-flux generator,MFG)[1] [2],嵌入在(P+1)个环路中。这些环路就是存储MFG所传入磁通的磁通容器(magnetic-flux container,MFC)。
SQUID-array的MFF图,如图1(b)所示。可以看到,SQUID-array中串联的每个DC-SQUID,对应一条由一个环路与两个MFG构成磁通传输支路,将磁通量子从DC-SQUID环路泵入Loop-( P+1)。P条磁通传输支路,持续将磁通量子汇入Loop-( P+1),同时MFG-(N+1) 在电流源Ib的驱动下,不断从Loop-( P+1)抽走磁通,最终形成了“多股汇入单股流出”的磁通传输结构。
可知,MFG-(N+1)的平均传输速率,是P条支路平均传输速率之和。各支路的平均传输速率,对应于各DC-SQUID两端的平均电压;SQUID-array两端的平均电压,对应于MFG-(N+1)的平均传输速率,正好是P个DC-SQUID平均电压之和。
因此,SQUID-array的磁通-电压特性曲线是P个DC-SQUID磁通-电压特性曲线的叠加。
SQUID-array的MFF图,对应的系统模型,如图2 所示。该系统模型的数值求解,可以仿真SQUID-array的磁通-电压特性曲线。
图2. SQUID-array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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