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在一个直流超导量子干涉仪(DC-SQUID)的环中,再嵌入一个射频超导量子干涉仪(RF-SQUID),DC-SQUID 和 RF-SQUID 共用一个接收外磁通输入Φin的环路,就形成了所谓的“双拼超导量子干涉仪(BI-SQUID)”,如图1(a)所示。其中,在0.5Ib偏置下工作的J1和J2 是DC-SQUID的两个约瑟夫森结,J3 则是RF-SQUID的约瑟夫森结。
图1. BI-SQUID的电路图及磁通传输网络图
BI-SQUID的三个约瑟夫森结,就是三个磁通传输器或磁通发生器(magnetic-flux generator,MFG)[1] [2],它们所在的两个环路就是两个磁通容器(magnetic-flux container,MFC),如图1(b)所示。
BI -SQUID的MFF图,如图2所示。其中,MFG-1在0.5Ib偏置下,不断向Loop-2注入磁通;MFG-2在0.5Ib偏置下,不断从Loop-2抽走磁通。
图2. BI-SQUID电路的MFF图
MFG-1和MFG-2像水泵一样,在Loop-2和外环路(Outer-loop)之间传输磁通量子;磁通传输的速率,对应于MFG两端的电压,因此,平均磁通传输速率,就对应于在BI-SQUID两端测得的平均电压。
在此基础上,Loop-1通过MFG-3调节Loop-2的环流,从而改变MFG-1和MFG-2传输磁通的速度。具体过程是:外磁通输入Φin,首先调节Loop-1的环流,再通过MFG-3调节Loop-2的环流,进而借助Loop-2环流的反作用力,调制MFG-1和MFG-2的磁通传输速率,从而形成了BI-SQUID特有的磁通-电压传输特性。MFF图直观展示了BI-SQUID磁通-电压特性的形成机制。
MFF图符合载流子流图的“所画即所得“原则,可直接转换成图3所示的系统模型。
图3. BI-SQUID的系统模型
系统模型的数值仿真结果,展示了BI-SQUID的电流-电压与磁通-电压特性曲线,如图4所示。对照《电路的载流子流图示例(12)——直流超导量子干涉仪(DC-SQUID)电路》中的DC-SQUID特性曲线,可以看出,由于RF-SQUID非线性的抗磁效应,BI-SQUID磁通-电压特性的两个顶点间距被扩宽超过了1Φ0。
图4. 仿真得到的BI-SQUID电流-电压与磁通-电压特性曲线
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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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